Obtención y caracterización de Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2, material de cátodo en baterías de ion-litio

Abstract

Argentina, junto con Bolivia y Chile conforman lo que se ha denominado el “Triángulo del litio”, concentrando entre los tres países el 55% de las reservas mundiales de litio y cerca del 85% de los depósitos de salmueras. El litio es un elemento clave en los sistemas de almacenamiento de energía actuales: en teléfonos celulares, computadoras laptop, cámaras fotográficas, etc. Además, esta tecnología está siendo empleada en sistemas de transporte “verdes” como los vehículos eléctricos (VE) y VE híbridos (VEH). Por otro lado, una sociedad basada en energías alternativas deberá contar con fuentes de almacenamiento descentralizadas, con sistemas de movilidad pública y eléctrica, con redes inteligentes que calculen la energía que utiliza, almacena y produce un hogar, y para todo ello también servirán las baterías de ion-litio. Un componente clave que limita el rendimiento de baterías es el material activo del cátodo, por lo que muchos estudios se centran en la mejora de sus propiedades. Existe una diversidad de materiales que se utilizan como cátodos, y cada uno de ellos presenta ventajas y desventajas en cuanto a su comportamiento electroquímico y estabilidad térmica y temporal. Además, existen diferentes vías de síntesis para la obtención de estos materiales; entre ellas la reacción en estado sólido presenta como característica sobresaliente la posibilidad de ser escalada a dimensiones industriales. En este trabajo se presentan los resultados de la obtención y caracterización del material Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2 mediante reacción en estado sólido a partir de sus precursores. En una primera etapa, se caracterizaron los reactivos de partida (Li2CO3, Co2O3, MnO2, NiO) mediante difracción de rayos X (DRX), análisis térmico diferencial (ATD), termogravimetría (Tg) y microscopía electrónica de barrido (MEB). En una segunda etapa, se generó una mezcla estequiométrica de los mismos y se realizó una molienda a diferentes tiempos (t = 0, 5, 60 y 240 min) en un molino de bolas de acero inoxidable. El efecto del tiempo de molienda en la mezcla se estudió empleando DRX y MEB. En una tercera y última etapa, los polvos obtenidos fueron calcinados a 850 °C mediante una rampa de temperatura de 5 °C/min, en atmósfera de aire, durante diferentes intervalos de tiempo. Los materiales obtenidos fueron caracterizados empleando medidas de DRX, densidad, porosidad abierta por el método de Arquímedes, porosimetría de mercurio, MEB, tamaño medio de grano y técnicas electroquímicas como, voltamperometría cíclica y curvas de carga-descarga. A partir de los datos DRX se concluyó que el material preparado con 240 minutos de molienda y calcinado a 850 °C por 12 h corresponde al compuesto Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2. Los resultados electroquímicos evidenciaron que el material posee un comportamiento estable durante 50 ciclos de carga-descarga galvanostática (95 mAhg-1), así como también una eficiencia coulómbica aceptable (> 95%).