Desarrollo y aplicación de materiales activos en baterías de litio-azufre

Abstract

El presente trabajo de tesis doctoral se enmarca en el contexto de la importancia cada vez mayor que tiene a nivel mundial el desarrollo de diferentes tipos de vectores de energía. Se evalúan varios métodos de modificación de carbonos para su uso como anfitriones de azufre en celdas de litio-azufre. La superficie del carbono es alterada por tres métodos diferentes inicialmente, cada uno utilizando un reactivo de bajo costo y amplia disponibilidad: ácido nítrico, peróxido de hidrógeno, y amoníaco acuoso. Los materiales obtenidos son evaluados electroquímicamente, y en su desempeño como anfitrión de azufre en el material activo de una celda de litio-azufre. Se encuentran mejoras en la retención de capacidad y la estabilidad del voltaje tras 100 ciclos a C/10 para el material modificado mediante peróxido o ácido nítrico. Se modifican carbonos también por agregado de telurio, probándose el agregado por fundido y difusión, con y sin el agregado inicial de azufre para facilitar la fusión del telurio. Se prueba además el agregado de telurio por precipitación desde una solución acuosa, con y sin polivinil pirrolidona para controlar el tamaño de las partículas obtenidas. Por el agregado de 5% de telurio con agregado inicial de azufre para facilitar su fundición, se obtiene un carbono que como material activo anfitrión del azufre retiene casi el 100% de su capacidad tras 100 ciclos a C/10 y muestra retención similar a mayores velocidades de ciclado. Finalmente, se optimiza un diseño para celdas pouch, con el que se logran baterías a escala de laboratorio ciclando adecuadamente. El uso de celdas en formato pouch es un paso fundamental para la obtención de celdas prácticas, que permite mejorar fuertemente la relación de masa a energía almacenada para las aplicaciones que lo necesitan.

The present doctoral thesis work is done in the context of the increasing worldwide importance in developing different kinds of energy delivery systems. Several methods of carbon modification for its use as sulfur host for lithium-sulfur cells are evaluated. The surface of the carbon is initially altered by three different methods, each of them using a low-cost and high-availability reagent: nitric acid, hydrogen peroxide, and aquous ammonia. The resulting materials are evaluated both electrochemically and in their performance as sulfur hosts in the active material for lithiumsulfur cells. Capacity retention and voltage stability over 100 cycles at a C-rate of C/10 are found to improve in the materials modified by peroxide or nitric acid. Carbons are modified by tellurium addition as well, adding by melt-diffusion both with and without an initial volume of sulfur to facilitate tellurium melting. Tellurium addition through precipitation from an aqueous solution is tested as well, both with and without polyvinyl pirrolidone to control the size of the resulting particles. A carbon that retains 100% of its capacity after 100 cycles at C/10, and equally resilient at higher C-rates, is obtained through the addition of 5% of tellurium with an initial sulfur addition to improve melt-diffusion. Finally, a new design for pouch cells is optimized, through which lab-scale batteries capable of adequate cycling are made. The use of pouch-format cells is a fundamental step for the assembly of practical cells, and a significant upgrade for the energy-to-mass ratio in applications where it is needed.