Additive-free thick li4ti5o12 and lifepo4 electrodes for high energy density lithium-ion batteries

Laburpena

Actualmente, el desarrollo de nuevas baterías de ion-litio con mayor densidad energética y seguridad que las comerciales, es un importante reto para la comunidad científica. Actualmente, el aumento del espesor de los electrodos está siendo muy investigado, ya que permite reducir la cantidad de componentes inactivos (como colectores de corriente y separadores porosos), dando lugar a un aumento de la capacidad tanto gravimétrica como volumétrica del electrodo y a una reducción del coste. Por lo tanto, en este trabajo se obtienen nuevos electrodos gruesos y libres de aditivos de Li4Ti5O12 (LTO) y LiFePO4 (LFP) con aplicaciones en baterías de ion-litio de alta densidad energética. La tecnología de Moldeo por Extrusión de Polvos se usa para producir electrodos de LTO y LFP de ~ 500 µm de espesor. Por otro lado, electrodos de LTO de ~ 250 µm de espesor se fabrican mediante colado en cinta. Estas tecnologías son totalmente diferentes a los métodos convencionales de fabricación de electrodos y fueron seleccionadas por ser ampliamente utilizadas en la industria, ya que son fácilmente escalables y relativamente baratas. Además, todos los compuestos usados durante el procesado, incluidos los polvos de LTO y LFP, son productos comerciales. Las diferentes etapas de cada uno de los dos procesos se optimizaron para obtener electrodos libres de defectos. En el caso del LTO, se ha utilizado una atmósfera reductora durante los tratamientos térmicos lo que permite la descomposición incompleta del sistema ligante, dejando una pequeña cantidad de carbono residual en el electrodo y la reducción parcial de Ti4+ a Ti3+. La combinación de estos dos factores hace que el electrodo tenga una conductividad eléctrica adecuada y no sean necesario añadir carbono. En el caso del LFP, se ha usado una atmósfera inerte con el objetivo de evitar la oxidación del recubrimiento de carbono que ya estaba presente en el polvo de partida. Se ha hecho un estudio sistemático de la sinterización y de la estabilidad térmica de LTO y LFP analizando el efecto de la temperatura en la estructura y microestructura de los electrodos. En el caso del LTO, también se estudió el efecto de la atmósfera (aire, N2 y Ar/H2). Para ello se utilizaron las técnicas de difracción de rayos-X, microscopía electrónica y medidas de densidad. En general, los electrodos obtenidos presentan una alta porosidad (8-35 %), lo que resulta ser positivo para asegurar un buen contacto con el electrolito. Las propiedades electroquímicas de los electrodos libres de aditivos se midieron por cronopotenciometría en semi celdas de litio. Se analizó el comportamiento de los electrodos durante sucesivos ciclos de carga y descarga y, en el caso del LFP, se estudió el efecto del procesado, la temperatura de sinterización y la viscosidad del electrolito en la capacidad del electrodo. Tanto los electrodos de LTO como los de LFP muestran capacidades por unidad de volumen muy altas (~ 300 mA·h/cm3) comparados con los electrodos convencionales. Finalmente, se preparó una batería de ion-litio utilizando electrodos obtenidos mediante moldeo por extrusión, de LTO y LFP como ánodo y cátodo, respectivamente y electrolito líquido comercial. La batería muestra un excelente comportamiento para velocidades de carga y descarga de C/12, simulando un típico ciclo día-noche, y alcanzando, incluso después de 50 ciclos, una densidad energética de 488 W·h/l. Los nuevos electrodos obtenidos en este trabajo abren el camino al desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía estacionario de bajo coste que podrían ser integrados en redes eléctricas inteligentes. Las principales ventajas de estos electrodos gruesos es que no necesitan aglomerantes ni la adición de carbono conductor para su utilización. Mediante la eliminación de estos aditivos, la densidad energética de la batería aumenta, la seguridad mejora (incrementando el intervalo de temperatura de trabajo) y se reduce el coste.