Desarrollo de materiales tipo capa ricos en litio dopados con magnesio y vanadio aplicados a cátodos de baterías de ion litio. Semestre de industria

Abstract

RESUMEN : Actualmente, el desempeño de las baterías de ion-litio está limitado por el material activo del cátodo, que enfrenta problemas como la pérdida irreversible de capacidad en ciclados prolongados y altas corrientes. El rendimiento electroquímico de los materiales activos del cátodo con estructura en capas está directamente relacionado con la morfología y tamaño de las partículas, su estructura cristalina, su composición y la adición de elementos dopantes. Este trabajo presenta un estudio sobre la incorporación de vanadio y magnesio en un material de tipo capa, correspondiente a un óxido de manganeso y níquel, evaluando estas variables para incrementar la estabilidad durante el ciclado. El material activo se sintetizó mediante el método de co-precipitación. La caracterización estructural se realizó mediante difracción de rayos X (DRX) y espectroscopia Raman. La morfología y el tamaño de las partículas se analizaron utilizando microscopía electrónica de barrido (SEM), y la composición química se determinó mediante espectrometría de dispersión (EDS) y espectroscopia ICP. El desempeño electroquímico del material activo se evaluó mediante ensayos de retención a diferentes velocidades de descarga, ciclado prolongado y espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS). El método de síntesis permitió obtener materiales libres de impurezas con una estructura cristalina de tipo capa y una morfología y tamaño de partícula óptimos. La incorporación de vanadio permitió una capacidad de retención del 85% después de 50 ciclos a 0.1C, mientras que el dopaje con magnesio mejoró la capacidad de retención a velocidades de descarga de 5C y 10C.

ABSTRACT : Currently, the performance of lithium-ion batteries is limited by the cathode active material, which faces issues such as irreversible capacity loss during prolonged cycling and high currents. The electrochemical performance of layer-structured cathode active materials is directly related to the morphology and size of the particles, their crystalline structure, composition, and the addition of dopant elements. This study presents research on the incorporation of vanadium and magnesium into a layer-type material corresponding to a manganese and nickel oxide, evaluating these variables to increase stability during cycling. The active material was synthesized using the co-precipitation method. Structural characterization was performed using X-ray diffraction (XRD) and Raman spectroscopy. The morphology and particle size were analyzed using scanning electron microscopy (SEM), and the chemical composition was determined by energy-dispersive spectroscopy (EDS) and ICP spectroscopy. The electrochemical performance of the active material was evaluated through retention tests at different discharge rates, prolonged cycling, and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The synthesis method allowed for the production of impurity-free materials with a layer-type crystalline structure and optimal particle morphology and size. The incorporation of vanadium resulted in an 85% retention capacity after 50 cycles at 0.1C, while doping with magnesium improved retention capacity at discharge rates of 5C and 10C.