Cálculos ab-initio de titanatos de Litio: su importancia como ánodos de baterı́as de ión-Litio.

SEBASTIÁN AMAYA RONCANCIO; LUIS REINAUDI; SUSANA CHAUQUE; FABIANA OLIVA; OSVALDO CÁMARA; EZEQUIEL P. M. LEIVA; M. CECILIA GIMÉNEZ

Córdoba

Congreso; Reunión de la Asociación Física Argentina; 2020

Asociación Física Argentina

Debido a las limitaciones de los combustibles fósiles, hoy en dı́a se hace imprescindible el estudio de fuentes de energı́a renovables (como la eólica, la energı́a solar, etc.). En este contexto, es de gran importancia el desarrollo de sistemas eficientes de conversión de energı́a (tales como celdas solares y celdas de combustible), y almacenamiento de energı́a (tales como supercapacitores y baterı́as). Entre todos los tipos de baterı́as, las de ion-litio son las que han atraı́do más atención, ya que, entre otras ventajas, presentan buena relación energı́a/masa, baja autodescarga, y estabilidad ante muchos ciclos carga/descarga. Este tema es de particular interés estratégico para nuestro paı́s y la región, ya que entre Argentina, Bolivia y Chile se concentra más del 70 % de las reservas mundiales de litio de extracción económicamente más rentable.Una baterı́a de ión litio contiene un ánodo (tı́picamente de grafito), un cátodo comúnmente formado por un óxido 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 Li 4 T i 5 O 12 , 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 electroquı́mico 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 electroquı́mica. 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 teorı́a del funcional de la densidad (DFT), de diferentes compuestos de titanato de litio [1]. En particular, Li 4 T i 5 O 12 (cuya forma litiada es Li 7 T i 5 O 12 ) puede usarse como ánodo en baterı́as de ión-litio. Debido a la complejidad de las estructuras de estos compuestos, en la primera etapa de este trabajo, se analizaron los compuestos relacionados LiT i 2 O 4 y Li 2 T i 2 O 4 . En una etapa posterior, los átomos de T i en estos compuestos fueron reemplazados sistemáticamentepor átomos de Li en los sitios cristalográficos correspondientes para construir la estructura del compuesto de interés. Los análisis de DOS y pDOS mostraron que Ti 2 O 4 se comporta como aislante y que LiTi 2 O 4 y Li 2 Ti 2 O 4 se comportan como conductores metálicos. Comparando las formas sustituidas y nosustituidas, se encontró que Li 3 [Ti 6 ]O 12 es conductor, mientras que Li 3 [LiTi 5 ]O 12 es aislante. Por otro lado, para las estructuras litiadas, Li 6 [Ti 6 ]O 12 y Li 6 [LiTi 5 ]O 12 son ambos conductores. Promediando las energı́as de las estructuras parcialmente sustituı́das, el potencial de litiación fue estimado en 1,60 V, en excelente acuerdo con el valor experimental. Apartir de cálculos de NEB, el coeficiente de difusión fue estimado en 1,67 × 10 −11 cm 2 s −1 , mostrando un acuerdo razonable con los valores experimentales [2].Referencias:[1] Sebastián Amaya-Roncancio, Luis Reinaudi, Susana Chauque, Fabiana Oliva, Osvaldo Cámara, 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. Cámara, Lithium titanate as anodematerial for lithium ion batteries: synthesis, posttreatment and its electrochemical response, J. Electroanal. Chem. 799 (2017) 142-155.