Estudio computacional de la adsorción y difusión de litio sobre materiales 2D híbridos para su aplicación en la protección de ánodos de litio metálico en baterías de litio de la próxima generación

MOREL LUCIANA; NAVARRO DI MARI, LUCÍA; FLAVIA LOBO MAZA; MARÍA BEATRIZ LÓPEZ; MARTIN ZOLOFF

Río Cuarto

Encuentro; XXI Encuentro de Superficies y Materiales Nanoestructurados; 2022

Universidad Nacional de Río Cuarto

Las baterías de litio-azufre (Li-S) son uno de los sistemas de almacenamiento de energía de próxima generación más prometedores debido a su alta capacidad específica teórica (1675mAh/g), mayor seguridad, su densidad de energía (2500-2800 Wh/L) y su bajo costo de fabricación [1-2].En estos dispositivos el ánodo tiene como material activo Li metálico mientras que el cátodo está compuesto por azufre [3]. Esto supone un enorme desafío desde el punto de vista tecnológico debido a la reactividad del mencionado metal. Para poder emplear litio metálico como ánodo, se estudian diferentes posibilidades dentro de las cuales se encuentra el diseño de materiales 2D que puedan emplearse como lámina protectora del electrodo. De esta manera, el objetivo central de este trabajo fue: conocer y comprender los principales aspectos termodinámicos y cinéticos relacionados con la adsorción y rápida difusión de litio sobre sobre la superficie de diversos materiales híbridos laminares 2D, tal como el nitruro de carbono grafítico (g-C3N4) para ser utilizadas como lámina protectora, evitando el crecimiento de dendritas. Los cálculos se realizaron recurriendo al formalismo de la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) empleando el paquete computacional de Quantum ESPRESSO (QE), en el Centro de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas (CIFTA, FACEN-UNCA). Los cálculos más complejos se elaboraron en el “Centro de Cómputo de Alto Rendimiento (CCAD)” de la Universidad Nacional de Córdoba.Se modelaron materiales híbridos 2D basados en la estructura del g-C3N4, se estudiaron principalmente la nucleación y el crecimiento de pequeños conglomerados de litio sobre la misma.También se observaron los efectos de dopar g-C3N4 con boro, fósforo, azufre y oxígeno (figura 1), integrando los resultados encontrados con descriptores basados en la estructura electrónica del material. Para ello se determinó la termodinámica de la adsorción de litio, así como también las barreras cinéticas para su difusión, mediante el método de la banda elástica (c-NEB).A partir de la interpretación de los resultados alcanzados se mencionan algunas conclusiones: Es posible establecer una correlación con la estructura electrónica de la superficie, teniendo en cuenta que al producir distintos defectos o dopajes en la superficie el "band gap" sufre modificaciones, y a su vez esto permitiría desarrollar superficies favorables para la protección del ánodo, sobre todo desde el punto de vista de la conducción electrónica. Las superficies estudiadas podrían ser empleada como protección del ánodo, especialmente las dopadas ya que se observó una directa relación entre el dopaje y la energía de adsorción, el dopaje promueve una mejor adsorción del Li.