Design and synthesis of new insertion electrode materials for Li-ion and Na-ion batteries identified via the Bond Valence Energy Landscape approach.

Abstract

Las baterías se consideran un elemento clave para la descarbonización de nuestra sociedad. Las baterías de litio-ion dominan actualmente el mercado de los dispositivos portátiles y de los vehículos híbridos y eléctricos gracias a su ligereza y a su extraordinaria densidad y rendimiento energéticos. Sin embargo, la creciente demanda de litio y el inestable contexto mundial hacen que aumente la preocupación por su disponibilidad y precio, por lo que las baterías de sodio-ion han generado mucho interés en los últimos años. La abundancia y el bajo coste del sodio lo convierten en una atractiva alternativa al litio. Además, aparte de su gran abundancia, el sodio está bien distribuido por toda la Tierra, lo que reduce considerablemente el impacto económico y geopolítico. El material del cátodo es el componente clave de la batería, ya que es el que más influye en el rendimiento final de la misma y en su coste. El material catódico seleccionado debe proporcionar una rápida inserción/extracción del catión móvil y una capacidad reversible estable. Además, el material de cátodo ideal debería poseer una alta capacidad específica y ofrecer un alto potencial. Se han desarrollado continuamente un gran número de químicas diferentes con numerosos análogos que pueden aplicarse con éxito tanto a las baterías de iones de litio como a las de iones de sodio. Sin embargo, el aumento constante de la demanda de mayor rendimiento y sostenibilidad exige el desarrollo de nuevos materiales mejorados.El objetivo de esta tesis es identificar nuevos materiales catódicos que puedan ser utilizados en baterías recargables de Li-ion y Na-ion. El reto es encontrar nuevos compuestos que puedan mejorar tanto la capacidad específica como el voltaje. Por ello, esta tesis responde a las necesidades actuales de desarrollo de materiales avanzados para baterías. En la búsqueda de nuevos materiales para electrodos pueden aplicarse dos enfoques diferentes. El primero es el diseño de nuevos materiales no reportados, y el segundo implica la revisión de estructuras ya conocidas con características compositivas y estructurales atractivas (o que requieran pequeñas modificaciones compositivas) necesarias para materiales de electrodos cuyo rendimiento electroquímico aún no ha sido evaluado. En nuestro trabajo, decidimos aplicar el segundo enfoque. El diseño de los nuevos materiales catódicos se basa en la modelización computacional y la metodología experimental.