ESTUDIO POR CÁLCULO DFT Y DFT+U DE INTERACCIÓN DE LITIO CON DISTINTOS POLIMORFOS DE ÓXIDO DE TITANIO

F. P. BONAFÉ, F. Y.OLIVA, G. L. LUQUE

Rosario

Congreso; XVIII Congreso Argentino de Físicoquímica y Química Inorgánica; 2013

Introducción: Uno de los problemas de seguridad de las baterías de ión-litio actuales se origina en una distribución no homogénea de los iones Li+ dentro de los materiales del ánodo. Los titanatos de litio son considerados como buenos candidatos de ánodo por requerimientos de seguridad dado que su potencial de operación evita la formación o deposición de litio metálico en el proceso de recarga; y por tener un cambio de volumen despreciable a lo largo del proceso salida/entrada de los iones Li+ durante el ciclo de descarga/recarga1,2. Con estos materiales puede conseguirse una alta velocidad de transferencia de carga a nivel superficial (por transporte de iones Li+), además de un mayor almacenamiento electroquímico de litio interfacial, lo que permitiría producir baterías con mayor densidad energética, propiedad que resulta de gran interés para el desarrollo de baterías destinadas a impulsar vehículos eléctricos3.Para lograr un entendimiento microscópico de los sitios estables en los cuales se puede alojar el litio y los caminos de difusión iónica, se plantea estudiar a través de cálculos de teoría funcional de la densidad (DFT), distintos polimorfos de TiO2 (anatasa y rutilo) y su interacción con iones Li+. Las posiciones de los átomos de litio y las barreras de activación para su movilidad han sido calculados por DFT4,5 y DFT+U6 (DFT con corrección de Hubbard) en estudios previos realizados para anatasa y TiO2 amorfo a distintas concentraciones de Li.Objetivos: Estudiar el efecto de la incorporación, en diferentes polimorfos de óxido de titanio, de cationes de metales alcalinos, particularmente litio (Li+). Calcular parámetros energéticos y estructurales para comprender la inserción del Li y sus implicancias en el posible uso como ánodo en baterías.Resultados: Se estudió por medio de cálculos DFT y DFT+U las inserción de litio con superceldas de rutilo 2x2x2 y anatasa 2x2x1 utilizando los códigos SIESTA7 y QUANTUM ESPRESSO8. Se realizó también un estudio del efecto de la concentración de litio en la interacción con las diferentes estructuras de óxido de titanio y el efecto de la concentración del ion en la energía de inserción y en los cambios conformacionales que éste produce.Conclusiones: La energía de inserción observada de ion litio es dependiente de la estructura de óxido de titanio sobre la que se intercala y de la concentración de iones litio. Esta inserción produce cambios conformacionales en las distintas estructuras.Referencias:1. Amine, K.; Belharouak, I.; Chen, Z. H.; Tran, T.; Yumoto, H.; Ota, N.; Myung, S.T.; Sun, Y. K. Adv. Mater. 22 (2010) 3052.2. B. Scrosati, J. Garche, J. Power Sources 195 (2010) 2419.3. Ju, S. H.; Kang, Y. C. J. Power Sources 195 (2010) 4327.4. Tielens, F.; Calatayud, M.; Beltrán, A.; Minot, C.; Andrés, J. J. Electroanal. Chem. 581 (2005) 216.5. Yildirim, H.; Greeley, J.; Sankaranarayanan, S. J. Phys. Chem. C 115 (2011) 15661.6. Morgan, B. J.; Watson, G. W.; Phys. Rev. B 82 (2010) 144119.7. Soler, J. M.; Artacho, E.; Gale J. D.; García, A.; Junquera J.; Ordejón P.; Sánchez-Portal, D.; J. Phys.: Condens. Matt. 14 (2002) 2745.8. Giannozzi P. et al; J. Phys.: Condens. Matter 21 (2009) 395502.