Desarrollo de nuevos sistemas sustentables de electrolitos eutécticos acuosos para batería de ion litio

Abstract

Las baterías de ion litio (LIBs) emplean en su mayoría solventes orgánicos a base de carbonatos alquílicos (por ejemplo: carbonato de etileno (EC), carbonato de propileno (PC), etc); sin embargo, presentan problemas concernientes a su baja seguridad tales como su elevada inflamabilidad y toxicidad e inclusive inestabilidad electroquímica, es decir, se descomponen y generan reacciones indeseables cuando trabajan a altas temperaturas. Es por ello que surge la iniciativa de emplear el agua como una alternativa prometedora para reemplazar a los solventes convencionales debido a que es más seguro, más asequible y eco-amigable; no obstante, su limitada ventana de estabilidad electroquímica (VEEagua= 1.23 V) lo hace menos competitivo que los solventes actualmente empleados en LIBs. Por tal motivo, surge la necesidad de emplear electrolitos eutécticos como una estrategia para ampliar la VEE. La estrecha VEE del electrolito está relacionada a la formación de clústeres de agua en el electrolito. En la presente tesis, se empleó la espectroscopía de infrarrojo cercano y medio con transformada de Fourier para evaluar las interacciones de los clústeres de agua. El electrolito eutéctico acuoso 4.1 m LiClO4:U:H2O mostró una elevada estabilidad térmica a un amplio rango de temperatura a 191 ºC y una alta conductividad iónica de 3.6 mS cm-1. Asimismo, el electrolito presento una VEE de 4.4 V. Posteriormente, se ensamblo una batería de ion litio CR2032 con LTO_G20 como ánodo, LFP como cátodo, un separador Whatman y el electrolito eutéctico 4.1 m LiClO4:U:H2O. Los ensayos de carga y descarga galvanostática demostraron que la celda presenta una eficiencia coulómbica superior al 90 %, así como también los procesos de intercalación y des-intercalación de iones litio en la batería. El empleo de este tipo de electrolito hace que la batería sea más segura, estable y menos tóxica que las baterías comerciales.

Lithium-ion batteries (LIBs) mostly use organic solvents based on alkyl carbonates (e.g. ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), etc.); however, they present problems concerning their low safety such as their high flammability and toxicity and even electrochemical instability, that is, they decompose and generate undesirable reactions when working at high temperatures. This is why the initiative to use water arises as a promising alternative to replace conventional solvents because it is safer, more affordable, and eco- friendly; however, its limited electrochemical stability window (ESWwater = 1.23 V) makes it less competitive than the solvents currently used in LIBs. For this reason, the need to use eutectic electrolytes arises as a strategy to expand the VEE. The narrow VEE of the electrolyte is related to the formation of water clusters in the electrolyte. In this thesis, near- and mid-infrared spectroscopy with Fourier transform was used to evaluate the water cluster interactions. The 4.1 m LiClO4:U:H2O eutectic water-electrolyte showed high thermal stability over a wide temperature range up to 191 ºC and a high ionic conductivity of 3.6 mS cm-1. Furthermore, the electrolyte presented an ESW of 4.4 V. Subsequently, a CR2032 lithium-ion battery was assembled with LTO_G20 as an anode, LFP as a cathode, a Whatman separator, and the 4.1 m LiClO4:U:H2O eutectic electrolyte. Galvanostatic charge and discharge tests demonstrated that the cell exhibits a Coulombic efficiency greater than 90 %, as well as the intercalation and de- intercalation processes of lithium ions in the battery. This type of electrolyte makes the battery safer, more stable, and less toxic than commercial batteries.