Functionalization of particles by atomic layer deposition for energy storage applications

Abstract

Los materiales en forma de pequeñas partículas son uno de los principales ingredientes en diversos procesos y aplicaciones industriales, gracias a sus relevantes propiedades con relación a su combinación de pequeño tamaño de partícula y a su gran área superficial. La funcionalización de dichas partículas, formando las conocidas ¿core-shell¿ modifica las partículas mejorando considerablemente su comportamiento y aportándoles valor añadido.El empleo de la tecnología de deposición de capa atómica (Atomic Layer Deposition, ALD) para la encapsulación de partículas mediante un recubrimiento, permite una mayor precisión en el control del espesor y la composición de la película depositada en comparación con otras técnicas de recubrimiento. Cabe destacar, la aplicación de la tecnología ALD para la fabricación y/o recubrimiento de componentes de sistemas de almacenamiento de energía, ofreciendo grandes avances tecnológicos.Las baterías de iones de litio son actualmente el tipo de batería más común en una amplia variedad de aplicaciones, dominando el mercado de la electrónica portátil y la electrificación del transporte y proporcionando una larga vida útil y alta densidad de energía. Sin embargo, la capacidad específica de este tipo de baterías es limitada y los materiales catódicos empleados selectos y difíciles de conseguir. Todos ello, ha llevado a los investigadores a buscar otros tipos de sistemas de baterías alternativas. Actualmente, las baterías de litio-azufre se han convertido en una alternativa prometedora debido al fácil manejo y extraordinarias propiedades del azufre como material catódico. Concretamente, el azufre muestra una densidad de energía teórica de 2600 Wh·kg-1, mucho mayor que la de las baterías de litio convencionales cuya densidad de energía teórica es de aproximadamente 300 Wh·kg-1. Sin embargo, las baterías de litio-azufre presentar varios inconvenientes que afectan su viabilidad y conducen a los investigadores a encontrar soluciones emergentes para el desarrollo de estas baterías con alta densidad de energía y estabilidad a largo plazo. En este caso, el empleo de la tecnología ALD mencionada anteriormente, puede aportar numerosos beneficios en el comportamiento de las baterías de litio-azufre.El objetivo de esta tesis se basa en el estudio y comprensión de la generación de recubrimientos mediante ALD en materiales en forma de partículas, prestando especial atención a materiales aptos para dispositivos de almacenamiento de energía. Para ello, se han recubierto partículas de tamaño micrométrico y nanométrico con óxidos metálicos, mostrando resultados prometedores y nuevas funcionalidades que no se habían observado con anterioridad. Mientras que en la primera parte de la tesis se hace un estudio inicial sobre el recubrimiento de partículas de óxido de hierro mediante ALD, para la formación de las mencionadas ¿core-shell¿ y su uso en diferentes aplicaciones, en la segunda parte de la tesis, se recubren materiales catódicos de baterías litio-azufre mejorando la capacidad y vida útil de este tipo de dispositivos de almacenamiento de energía.