Desarrollo de un electrolito sólido a base de sulfuros para aplicación en baterías Ion litio de estado sólido

Abstract

RESUMEN : Las baterías de iones de litio han sido ampliamente utilizadas como fuentes de energía; son uno de los tipos más populares de baterías recargables para dispositivos electrónicos portátiles. Sin embargo, las baterías recargables de litio convencionales usan electrolitos líquidos orgánicos generando graves problemas de seguridad. Para eliminar los peligros de inflamabilidad y fugas, los electrolitos líquidos orgánicos se reemplazan con electrolitos sólidos inorgánicos. Esto da lugar a las baterías de iones de litio de estado sólido (ASSB). Se han investigado varios tipos de electrolitos sólidos, incluidos los del tipo de sulfuro en los sistemas Li2S-P2S5 (LPS) que exhiben una alta conductividad iónica. La cristalización de los vidrios Li2S-P2S5 aporta buena flexibilidad y conductividad iónica. La síntesis en fase líquida de estos materiales permite abordar temas cruciales para las baterías de próxima generación como lo son el escalado, con la obtención de rutas químicas compatibles con procesos industriales. Para el desarrollo de este trabajo, se propuso la incorporación de nuevas funcionalidades para electrolitos de tipo sulfuro (SSE), mediante la adición de dopantes, como el zirconato de litio y el sulfuro de molibdeno, que brindaran mayor estabilidad química y electroquímica al material. El desarrollo se hizo alrededor del factor más relevante para estos materiales como lo es el tratamiento térmico que permite la precipitación de fases metaestables de conductividades iónicas deseables, como la fase beta Li3PS4. Se evaluó también el efecto de la concentración del dopante en el material. Durante la evaluación de los materiales se encontró que para el dopaje con zirconato de litio no se alcanza una reacción completa cuando este está en una relación de 1 y 3%, pero si puede ser prometedor para una relación del 5%. La conductividad iónica prácticamente permanece constante, pese a la incorporación del dopante. De manera similar sucedió en el dopaje con el sulfuro de molibdeno, encontrándose que la conductividad iónica logra mantenerse en el orden de magnitud de 10-4 S/cm. Aceptable para este tipo de materiales. En el estudio del tratamiento térmico se evaluaron tres temperaturas claves alrededor de la precipitación de fases metaestables. Se logró identificar que a 260°C precipitan fases termodinámicamente estables y que las mejores condiciones para lograr una mayor conductividad iónica y mayor precipitación de la fase beta Li3PS4 están dadas para un tratamiento a 220°C por 3 horas.

ABSTRACT : Lithium-ion batteries have been widely used as power sources; they are one of the most popular types of rechargeable batteries for portable electronic devices. However, conventional rechargeable lithium-ion batteries use organic liquid electrolytes, creating serious safety concerns. To eliminate flammability and leakage hazards, organic liquid electrolytes are replaced with inorganic solid electrolytes. This gives rise to solid-state lithium-ion batteries (ASSB). Several types of solid electrolytes have been investigated, including sulfide-type electrolytes in Li2S-P2S5 (LPS) systems that exhibit high ionic conductivity. Crystallization of Li2S-P2S5 glasses provides good flexibility and ionic conductivity. The liquid-phase synthesis of these materials allows addressing crucial issues for next-generation batteries such as scaling, with the obtaining of chemical routes compatible with industrial processes. For the development of this work, the incorporation of new functionalities for sulfide-type electrolytes (SSE) was proposed, through the addition of dopants, like lithium zirconate and molybdenum sulfide, that provide greater chemical and electrochemical stability. The development was done around the most relevant factor for these materials, which is the thermal treatment that allows the precipitation of metastable phases of desirable ionic conductivities, such as the beta phase Li3PS4. The effect of the dopant concentration in the material was also evaluated. The evaluation of the materials found that for doping with lithium zirconate a complete reaction is not achieved when this is in a ratio of 1 and 3%, but it can be promising for a ratio of 5%. Although in neither case does it increase the ionic conductivity. For molybdenum sulfide, there is also no improvement in the electrochemical response, however, it manages to remain in the order of magnitude of 10-4 S/cm. Acceptable for this type of materials. In the heat treatment study, three key temperatures around the precipitation of metastable phases were evaluated. It was identified that at 260°C thermodynamically stable phases precipitate and that the best conditions for higher ionic conductivity and higher precipitation of the beta phase Li3PS4 are given for a treatment at 220°C for 3 hours.