Estudio DFT de estructuras amorfas y cristalinas de LixSi y LixSn

BRIZUELA, JERÓNIMO; BARRACO, DANIEL EUGENIO; OTERO, MANUEL; FERNÁNDEZ, FRANCISCO; BRACAMONTE, MARÍA VICTORIA

Congreso; RAFA 2022; 2022

La incorporaci ́on de fuentes renovables de generaci ́on de energ ́ıa a la red yel crecimiento del uso de veh ́ıculos el ́ectricos esta generando un notable aumentoen la demanda de bater ́ıas de ion-litio (BIL). A ̃no a a ̃no se requieren BIL conmayor capacidad y durabilidad, lo que ha llevado a la b ́usqueda de materialesalternativos. El ́anodo usado en las BIL comerciales se basa en grafito y pre-senta una capacidad espec ́ıfica te ́orica de 372 mAh/g, con gran estabilidad anteel ciclado. Actualmente se est ́an estudiando otros semiconductores del grupoIV, como el silicio (Si) y el esta ̃no (Sn), dado que pueden ofrecer capacidadesconsiderablemente superiores, de 3579 mAh/g y 990 mAh/g respectivamente.Sin embargo, la aplicaci ́on de estos materiales, se encuentra limitada por su po-bre ciclabilidad debido a los grandes cambios de volumen durante los procesosde litiaci ́on/delitiaci ́on, causando debilitaci ́on estructural, p ́erdida de capacidady la ulterior pulverizaci ́on del electrodo en pocos ciclos. Existe un gran inter ́escient ́ıfico y tecnol ́ogico en estudiar cuales son los procesos y mecanismos quellevan a este fen ́omeno buscando aumentar la ciclabilidad y as ́ı aprovechar estaalta capacidad.Los c ́alculos de primeros principios basados en la Teor ́ıa del Funcional Den-sidad (DFT) son un herramienta muy precisa para estudiar las estructuras quese forman en las BIL. Los c ́alculos de minimizaci ́on de energ ́ıa, con relajaci ́onestructural, permiten conocer las posibles conformaciones de cada material, lospotenciales de litiaci ́on y la conductividad. El contraste de los mismos con lacaracterizaci ́on experimental (DRX, TEM, RMN, difracci ́on de neutrones, entreotros) lleva a una interpretaci ́on m ́as detallada de los resultados. Los estudiosexperimentales y te ́oricos de bibliograf ́ıa resaltan que la litiaci ́on/delitiaci ́on con-duce a la “amorfizaci ́on” del electrodo [2], por este motivo es ́util modelar estosprocesos asumiendo que el Si y el Sn forman aleaciones amorfas con Li.Presentamos los resultados de un estudio sobre la litiaci ́on de Si y Sn a1trav ́es de c ́alculos DFT. Utilizando el protocolo propuesto por Chevrier et al.[1], se generaron estructuras amorfas de LixSi y LixSn calculando para cada unade ellas su energ ́ıa de formaci ́on, distribuci ́on de cargas, volumen y potencialde litiaci ́on. Los c ́alculos fueron realizados mediante del software QuantumEspresso con el formalismo de ondas planas empleando pseudopotenciales PAW,con el potencial de correlaci ́on e intercambio PBE. Los resultados obtenidosmuestran que para ambos sistemas existe un crecimiento lineal del volumen conla proporci ́on de litio, provocando cada litio un incremento de 16,6 ̊A3 y 18,6 ̊A3, para LixSi y LixSn respectivamente. A su vez el an ́alisis de bader permiti ́oestudiar la redistribuci ́on de carga dentro del material. Se observa que paracada estructura, mientras la carga de Li se mantiene constante, la de Si (Sn)aumenta en cantidad y en dispersi ́on a medida que crece la concentraci ́on delitio.[1] Chevrier, V. L., and Jeff R. Dahn, Journal of the Electrochemical Society156.6 (2009): A454.[2] Limthongkul, Pimpa, et al., Journal of Power Sources 119 (2003): 604-609.