Estudio del efecto del aglomerante y catalizadores en el rendimiento de baterías Litio aire

Las baterías de litio-aire presentan una elevada densidad energética (11428 Wh Kg-1) cercana a la densidad teórica de la gasolina, como sistemas “almacenadores" de energía. Sin embargo, su eficiencia real es mucho menor que el valor teórico debido principalmente a problemas con reacciones no de...

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Detalhes bibliográficos
Autor: Márquez Mandiola, Paulina
Formato: tesis doctoral
Estado:Versión publicada
Fecha de publicación:2018
País:Chile
OAI Identifier:oai:repositorio.anid.cl:10533/235104
Acesso em linha:https://hdl.handle.net/10533/235104
Access Level:acceso abierto
Palavra-chave:Ciencias Naturales
Ciencias Químicas
Electroquímica
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description Las baterías de litio-aire presentan una elevada densidad energética (11428 Wh Kg-1) cercana a la densidad teórica de la gasolina, como sistemas “almacenadores" de energía. Sin embargo, su eficiencia real es mucho menor que el valor teórico debido principalmente a problemas con reacciones no deseadas que generan sobrepotenciales debido a la descomposición o acumulación de especies insolubles en el cátodo. Las baterías litio aire están compuestas por un ánodo de litio metálico y un cátodo compuesto por una mezcla de carbono y un aglomerante. Esta mezcla puede o no contener un catalizador. A través de este cátodo de carbono ingresa un flujo continuo de oxígeno y ocurre la reacción de reducción de oxigeno la cual lleva a la formación de Li2O2 y/o Li2O como producto principal. Las acumulaciones de estos productos contribuyen a la pasivación del cátodo, por lo que para disminuir este efecto se espera que, durante el proceso de carga, la mayor cantidad de estas especies se oxiden. En estos sistemas, el uso de catalizadores cumple un rol fundamental, ya que estos podrían facilitar tanto la reacción de reducción de oxígeno en la descarga como la evolución en la carga. En cuanto a los aglomerantes, se ha encontrado que algunos sufren reacciones indeseadas de descomposición como ocurre con el polímero PVDF, el cual experimenta una reacción de deshidrofluoración química llevando a la formación de H2O2 y LiF(s). El H2O2 en presencia de un catalizador podría conducir a la formación de LiOH(s). Estos productos no deseados se acumulan y bloquean el cátodo afectando la eficiencia y durabilidad de la batería. En este proyecto se comparó el efecto de usar PVDF y Nafion como aglomerantes y tres catalizadores, Co3O4, CoPc y -MnO2 encontrándose que los tres catalizadores permiten que ocurra el proceso de carga luego de una descarga completa en presencia de PVDF y en el caso del Nafion disminuyen los sobrepotenciales de los procesos de carga y descarga aumentando la ciclabilidad de la batería. Por otra parte se determinó que ocurre la descomposición del solvente generando carbonatos de litio que pasivan el cátodo. El mejor sistema encontrado fue el de la combinación Nafion/CoPc que permitió 11 ciclos de carga y descarga consecutivos con una capacidad cercana a 2 mA h, con una significativa reducción en el sobrepotencial.
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spelling UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILEMárquez Mandiola, Paulina2018https://hdl.handle.net/10533/235104http://purl.org/coar/access_right/c_abf2ElectroquímicaCiencias QuímicasCiencias NaturalesEstudio del efecto del aglomerante y catalizadores en el rendimiento de baterías Litio aireAguirre Quintana, María JesúsHerrera Diaz, FranciscoUNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILEChileMárquez Mandiola, Paulina2019-04-29T16:22:10Z2022-08-16T16:45:06Z2019-04-29T16:22:10Z2022-08-16T16:45:06Z2018Las baterías de litio-aire presentan una elevada densidad energética (11428 Wh Kg-1) cercana a la densidad teórica de la gasolina, como sistemas “almacenadores" de energía. Sin embargo, su eficiencia real es mucho menor que el valor teórico debido principalmente a problemas con reacciones no deseadas que generan sobrepotenciales debido a la descomposición o acumulación de especies insolubles en el cátodo. Las baterías litio aire están compuestas por un ánodo de litio metálico y un cátodo compuesto por una mezcla de carbono y un aglomerante. Esta mezcla puede o no contener un catalizador. A través de este cátodo de carbono ingresa un flujo continuo de oxígeno y ocurre la reacción de reducción de oxigeno la cual lleva a la formación de Li2O2 y/o Li2O como producto principal. Las acumulaciones de estos productos contribuyen a la pasivación del cátodo, por lo que para disminuir este efecto se espera que, durante el proceso de carga, la mayor cantidad de estas especies se oxiden. En estos sistemas, el uso de catalizadores cumple un rol fundamental, ya que estos podrían facilitar tanto la reacción de reducción de oxígeno en la descarga como la evolución en la carga. En cuanto a los aglomerantes, se ha encontrado que algunos sufren reacciones indeseadas de descomposición como ocurre con el polímero PVDF, el cual experimenta una reacción de deshidrofluoración química llevando a la formación de H2O2 y LiF(s). El H2O2 en presencia de un catalizador podría conducir a la formación de LiOH(s). Estos productos no deseados se acumulan y bloquean el cátodo afectando la eficiencia y durabilidad de la batería. En este proyecto se comparó el efecto de usar PVDF y Nafion como aglomerantes y tres catalizadores, Co3O4, CoPc y -MnO2 encontrándose que los tres catalizadores permiten que ocurra el proceso de carga luego de una descarga completa en presencia de PVDF y en el caso del Nafion disminuyen los sobrepotenciales de los procesos de carga y descarga aumentando la ciclabilidad de la batería. Por otra parte se determinó que ocurre la descomposición del solvente generando carbonatos de litio que pasivan el cátodo. El mejor sistema encontrado fue el de la combinación Nafion/CoPc que permitió 11 ciclos de carga y descarga consecutivos con una capacidad cercana a 2 mA h, con una significativa reducción en el sobrepotencial.Lithium-air batteries have a high energy density (11428 Wh Kg-1) close to the theoretical density of gasoline, as energy "storage" systems, however, their actual efficiency is much lower than the theoretical value due mainly to problems with unwanted reactions that generate overpotentials due to the decomposition or accumulation of insoluble species in the cathode. The lithium air batteries are composed of a metallic lithium anode and a cathode composed of a mixture of carbon and binder. This mixture may or may not contain a catalyst. Through this carbon cathode, a continuous flow of oxygen enters and the oxygen reduction reaction takes place, which leads to the formation of Li2O2 and/or Li2O as the main product. The accumulations of these products contribute to the passivation of the cathode, so to diminish this effect it is expected that, during the loading process, the greater quantity of these species oxidize. In these systems, the use of catalysts fulfills a fundamental role, since these could facilitate both the oxygen reduction reaction in the discharge and the evolution in the charge. As for the binders, it has been found that some suffer undesired decomposition reactions as occurs with the PVDF polymer, which undergoes a chemical dehydrofluorination reaction leading to the formation of H2O2 and LiF(s). H2O2 in the presence of a catalyst could lead to the formation of LiOH (s). These unwanted products accumulate and block the cathode, affecting the efficiency and durability of the battery. This project aims to compare the performance effect of lithium air batteries, by using an binder such as PVDF and Nafion and the effect of the catalyst. In this project the effect of using PVDF and Nafion as binders and three catalysts, Co3O4, CoPc and -MnO2 was compared, finding that the three catalysts allow the charging process to occur after a complete discharge in the presence of PVDF and in the case of the Nafion decreases the overpotentials of the loading and unloading processes, increasing the battery’s cyclability. On the other hand, it was determined that the decomposition of the solvent occurs, generating lithium carbonates that passivate the cathode. The best system found was the Nafion/CoPc combination that allowed consecutive charge and discharge cycles with a capacity close to 2 mA h, with a significant reduction in overpotential.PFCHA-BecasPFCHA-Becas21140517https://hdl.handle.net/10533/235104instname: Conicytreponame: Repositorio Digital RI2.0info:eu-repo/grantAgreement//21140517, beca doctorado nacional convocatoria 2014info:eu-repo/grantAgreement//21140517info:eu-repo/grantAgreement//CONICYT Nacionalinfo:eu-repo/semantics/dataset/hdl.handle.net/10533/93488info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/cl/Ciencias NaturalesCiencias QuímicasElectroquímicaEstudio del efecto del aglomerante y catalizadores en el rendimiento de baterías Litio aireStudy of the effect of the binder and catalysts on the performance of lithium air batteries.Tesis Doctoradoinfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionTesisTesishttps://hdl.handle.net/10533/235104PFCHA-Becasb520184c-4181-4a21-83ae-18f722aceed4virtual::48572-1b520184c-4181-4a21-83ae-18f722aceed4virtual::48572-1ORIGINALMarquez_Mandiola_Paulina_Luisa.pdfapplication/pdf9105455https://repositorio.anid.cl/bitstreams/5f6e3e8f-2781-4fa7-9f4d-ddbb6a287bce/downloadbdb9360db3f5a79968ff39fd7776928bMD51CC-LICENSElicense_rdfapplication/octet-stream1232https://repositorio.anid.cl/bitstreams/8467b785-de16-44b2-9ffd-39008d9bf737/downloadf97bcfdf58f3e17b5cec231112dab5b1MD52LICENSElicense.txttext/plain1779https://repositorio.anid.cl/bitstreams/4caf5a96-cd89-43c3-b5b6-67a38fa9c81c/download593a6e7305c66c56041a9f9e15a649c1MD53TEXTMarquez_Mandiola_Paulina_Luisa.pdf.txtExtracted texttext/plain447024https://repositorio.anid.cl/bitstreams/1583ece2-fa9e-4aad-8da4-72936d8cf46d/downloadaa279d25b1d8e641cbcde70f498603f8MD54THUMBNAILMarquez_Mandiola_Paulina_Luisa.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg2000https://repositorio.anid.cl/bitstreams/abcf6285-b5ad-4162-8602-154fee1dac46/download0a38a881b544c9aa7c57c155630188dbMD5510533/235104oai:repositorio.anid.cl:10533/2351042023-07-24 10:10:48.014http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/cl/info:eu-repo/semantics/openAccesshttps://repositorio.anid.clRepositorio ANIDaletelier@anid.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