Obtención de materiales para electrolitos sólidos de baterías de litio en capa delgada basados en Zirconato de Litio (Li2ZrO3)

Abstract

Actualmente, Argentina es el cuarto productor mundial de Li, luego de Australia, Chile y China. Sin embargo, la diferencia de precios entre la materia prima que se exporta y la batería que se fabrica en países extranjeros es abismal: una tonelada de Li2CO3 cuesta cerca de 6.000 U$D, mientras que una sola batería de auto cuesta más de 10.000 U$D. En este contexto, es fundamental generar conocimiento nacional vinculado a la cadena de valor agregado de este elemento y desarrollar estrategias escalables de diseño y procesamiento de materiales que lo contengan. Las baterías de ion-Li (BIL) son los sistemas de almacenamiento energético más utilizados. No obstante, las actuales BILs son propensas a explosiones e incendios en virtud de su contenido de líquidos orgánicos. En consecuencia, se proyecta que en un futuro cercano las baterías de Li de estado sólido (BLES) reemplazarán a las BILs convencionales y representarán una alternativa más segura y con mayor densidad energética. En este marco, el zirconato de Li (Li2ZrO3 ó LZO) es un potencial electrolito sólido para BLES debido a su gran conductividad iónica, estabilidad mecánica y estabilidad electroquímica. Este plan de trabajo incluyó una primera etapa de síntesis de LZO, mediante la reacción en estado sólido entre Li2CO3 y m-ZrO2. Como resultado, se obtuvo LZO puro y cristalino a partir del precursor tratado térmicamente en dos etapas: 800 °C/3h + 1000 °C/3h. Posteriormente, se continuó con la optimización del procesamiento coloidal del LZO para conformar piezas por slip casting. Se prepararon suspensiones acuosas de LZO, empleando un molino planetario de alta energía, y se conformaron discos a partir del colado de las suspensiones en moldes de yeso. Se obtuvieron piezas con máxima densidad en verde (63-67%) mediante el colado de mezclas compuestas por 63,1% p/p de LZO y 6,3% p/p de Dolapix CE64 (dispersante), y sometidas a 30 min de molienda. Esta optimización se logró mediante el análisis de la evolución de la viscosidad y del tamaño de partícula de las suspensiones con el tiempo de molienda, para diversas composiciones. Los resultados obtenidos representan un primer paso hacia la optimización del colado de cintas delgadas y flexibles por tape casting, lo cual se efectuará próximamente.En una tercera etapa, se estudió el proceso de sinterización de piezas de LZO, siguiendo detalladamente los procesos químicos involucrados a través de las técnicas de dilatometría, microscopía SEM, DRX y densidad (método de Arquímedes). Así, fue posible obtener materiales densos (93-95%) y de gran pureza aplicando un tratamiento térmico de 1200 °C/15 h a las piezas conformadas. Por último, se pretende caracterizar las propiedades eléctricas y mecánicas de los materiales obtenidos. Se correlacionará la influencia de las variables de las etapas previamente mencionadas sobre la microestructura y el comportamiento mecánico y electroquímico de las cintas, para su posible aplicación en BLES.