Cálculos ab-initio de titanatos de Litio: su importancia como ánodos de baterías de ion-Litio

SEBASTIAN AMAYA RONCANCIO; LUIS REINAUDI; SUSANA CHAUQUE; DRA. FABIANA OLIVA; OSVALDO CÁMARA; EZEQUIEL P.M. LEIVA; MARÍA C. GIMENEZ

Congreso; 105° Reunión de la Asociación Física Argentina. Primera Webinar Setiembre 2020, Córdoba Argentina; 2020

Asociación Física Argentina

Debido a las limitaciones de los combustibles fósiles, hoy en día se hace imprescindible el estudio de fuentes de energía renovables (como la eólica, la energía solar, etc.). En este contexto, es de gran importancia el desarrollo de sistemas eficientes de conversión de energía (tales como celdas solares y celdas de combustible), y almacenamiento de energía (tales como supercapacitores y baterías). Entre todos los tipos de baterías, las de ion-litio son las que han atraído mas atención, ya que, entre otras ventajas, presentan buena relación energía /masa, baja autodescarga, y estabilidad ante muchos ciclos carga/descarga. Este tema es de particular interés estratégico para nuestro país y la región, ya que entre Argentina, Bolivia y Chile se concentra m as del 70% de las reservas mundiales de litio de extracción económicamente más rentable.Una batería de ion litio contiene un ánodo (típicamente de grafito), un cátodo comúnmente formado por un oxido metálico de Litio y un electrolito que consiste en una solución de sal de litio en un solvente orgánico. Una alternativa, que ofrece interesantes ventajas, a los tradicionales ánodos de grafito son los ánodos de titanato de litio. Los titanatos de litio, en particular la espinela Li4Ti5O12, ha sido bastante estudiada en los últimos años en sus aspectos de preparación y respuesta experimental, y en nuestros laboratorios hemos preparado y obtenido este titanato de litio con muy buen comportamiento electroquímico para el almacenamiento de carga. Sin embargo los estudios de modelado computacional de estos materiales han sido muy poco abordados pero resultan de gran interés para comprender y posteriormente mejorar su respuesta electroquímica. Por ello, estos últimos aspectos son el objeto del presente estudio. En el ámbito de esta presentación, se realizaron cálculos ab initio, dentro del marco de la teoría del funcional de la densidad (DFT), de diferentes compuestos de titanato de litio [1]. En particular, Li4Ti5O12 (cuya forma litiada es Li7Ti5O12) puede usarse como ánodo en baterías de ion-litio. Debido a la complejidad de las estructuras de estos compuestos, en la primera etapa de este trabajo, se analizaron los compuestos relacionados LiTi2O4 y Li2Ti2O4. En una etapa posterior, los átomos de Ti en estos compuestos fueron reemplazados sistemáticamente por átomos de Li en los sitios cristalográficos correspondientes para construir la estructura del compuesto de interés. Los análisis de DOS y pDOS mostraron que Ti2O4 se comporta como aislante y que LiTi2O4 y Li2Ti2O4 se comportan como conductores metálicos. Comparando las formas sustituidas y no sustituidas, se encontró que Li3[Ti6]O12 es conductor, mientras que Li3[LiTi5]O12 es aislante. Por otro lado, para las estructuras litiadas, Li6[Ti6]O12 y Li6[LiTi5]O12 son ambos conductores. Promediando las energías de las estructuras parcialmente sustituidas, el potencial de litiacion fue estimado en 1;60 V, en excelente acuerdo con el valor experimental. A partir de cálculos de NEB, el coeficiente de difusión fue estimado en 1,67.10-11 cm2s-1, mostrando un acuerdo razonable con los valores experimentales [2].Referencias:[1] Sebastian Amaya-Roncancio, Luis Reinaudi, Susana Chauque, Fabiana Oliva, Osvaldo Camara, Ezequiel P.M. Leiva and M. Cecilia Gimenez*. Ab-initio calculations of Lithium titanates related to anodes of Lithium-ion bateries.. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 141 (2020) 109405. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2020.109405[2] S. Chauque, F.Y. Oliva, A. Visintin, D. Barraco, E.P.M. Leiva, O.R. Camara, Lithium titanate as anode material for lithium ion batteries: synthesis, posttreatment and its electrochemical response, J. Electroanal. Chem. 799 (2017) 142-155.