Diseño y construcción de una batería ion-aluminio con capacidad de carga rápida
En la búsqueda de materiales para reemplazar el litio en los sistemas de almacenamiento de energía se ha encontrado que el aluminio presenta ventajas potenciales como baja inflamabilidad, bajo costo y 3 electrones en la reacción que le dan alta capacidad de carga teórica. Hasta el momento gran parte...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis de maestría |
| Estado: | Versión aceptada para publicación |
| Fecha de publicación: | 2020 |
| País: | Colombia |
| Institución: | Universidad Nacional de Colombia |
| Repositorio: | Repositorio UN |
| Idioma: | español |
| OAI Identifier: | oai:repositorio.unal.edu.co:unal/78452 |
| Acceso en línea: | https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/78452 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | 660 - Ingeniería química 540 - Química y ciencias afines Ionogels Aluminum-ion batteries Ionic liquids polymers glymes Ionogeles baterías ion-aluminio Líquidos iónicos polímeros |
| Sumario: | En la búsqueda de materiales para reemplazar el litio en los sistemas de almacenamiento de energía se ha encontrado que el aluminio presenta ventajas potenciales como baja inflamabilidad, bajo costo y 3 electrones en la reacción que le dan alta capacidad de carga teórica. Hasta el momento gran parte de los estudios se enfocan en dispositivos con ánodo de aluminio, cátodo derivado del carbón y electrolito de líquido iónico ácido que han logrado altas velocidades de carga y estabilidad a largo plazo; sin embargo, presentan problemas asociados a la corrosividad, sensibilidad al ambiente y alto costo del electrolito. Con este trabajo se construyó una batería ion-aluminio con electrodos de aluminio y grafeno comerciales y electrolito tipo gel polimérico plastificado con líquidos iónicos ácidos para reducir la sensibilidad al ambiente, corrosividad y costo, así como proporcionar la posibilidad de dispositivos con múltiples geometrías y carga rápida al reducir la distancia entre electrodos. La membrana de electrolito tipo gel polimérico se sintetizó mediante el Solvent-casting de una solución de polimetilmetacrilato funcionalizado con tricloruro de aluminio y plastificado con un líquido iónico de cloroaluminato. Con base en un diseño experimental se optimizó la conductividad eléctrica, medida por espectroscopia de impedancia electroquímica, el óptimo corresponde a la proporción molar de AlCl3/PMMA= 0,68 y porcentaje en peso de 80% de líquido iónico en la membrana. Adicionalmente, se realizó la caracterización térmica y química del material identificándose el rompimiento de enlaces de coordinación transiente entre 100°C y 200°C asociados a las transiciones de fase producto de la interacción de los iones cloroaluminato con la matriz polimérica y el catión orgánico del líquido iónico; los resultados exponen la presencia tanto de enlaces vinculados por los grupos oxigenados del polímero como la coordinación tradicional de los líquidos iónicos de primera generación. Se realizó la evaluación electroquímica del mecanismo de reacción de cada material activo con el electrolito y se determinó que el colector de carga de acero inoxidable presenta una alta corrosión durante el proceso de carga; por otro lado, el ánodo mostró una cinética compleja similar a la encontrada en electrolitos compuestos de poliéteres y líquidos iónicos, en cuyo caso existen dos rutas de reacción asociadas al catión cloroaluminato y al anión respectivamente, mientras el cátodo reprodujo el mecanismo del plastificante a partir de 1,5V vs. QRE y presentó una reducción entre 0,5V-1,5 V vs. QRE asociado a la desintercalación irreversible de iones mediante los grupos oxigenados del polímero. La batería mostró una capacidad de carga estable cercana a 13mAh/g y una eficiencia Coulómbica promedio de 60% asociada a las reacciones irreversibles encontradas en el análisis por voltamperometría cíclica, de igual manera se observó que al acelerar el proceso de carga en un factor de 15 la capacidad posee una retención superior al 60%, mientras al regresar a las condiciones iniciales mantiene la capacidad obtenida originalmente; asimismo el análisis de espectroscopia de impedancia electroquímica mostró la presencia de múltiples interfases, control difusional y corrosión, además de la aparición de nuevas interfases en el material anódico al acelerar el proceso de depositación de aluminio, en consecuencia se requiere revisar la metodología de ensamble del dispositivo. Finalmente, los análisis de voltaje vs. carga almacenada exhibieron que la descarga a altas velocidades expone mecanismos no vinculados al cátodo y sugiere la necesidad de evaluar nuevos materiales activos para lograr aumentar los valores de diseño requeridos en dispositivos comerciales, pero dado que logró una aceptable eficiencia y retención pese a las irreversibilidades del sistema el material sintetizado puede llegar a ser promisorio para dispositivos de almacenamiento de energía basados en iones aluminio, en especial al considerar que la depositación de aluminio se logró ejecutar por cerca de 2h en presencia del aire ambiental. |
|---|