Estudio del óxido de bismuto, y otros óxidos metálicos, como electrodos positivos en baterías de zinc

[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. En la sociedad actual, las baterías recargables se encuentran en el centro de atención de numerosos grupos de investigación, ya que son unos de los pilares fundamentales en la búsqueda de fuentes de energía altern...

Full description

Bibliographic Details
Author: Lorca Robles, Sebastián
Format: doctoral thesis
Publication Date:2023
Country:España
Institution:Universidad Politécnica de Cartagena(UPCT)
Repository:Repositorio Digital UPCT
OAI Identifier:oai:repositorio.upct.es:10317/13492
Online Access:http://hdl.handle.net/10317/13492
Access Level:Open access
Keyword:Química
Electroquímica
Transmisión de energía
Electrolitos
Baterías
Química-Física
2210 Química Física
id ES_2b91c0e6aa2b631be697181a4f765e0b
oai_identifier_str oai:repositorio.upct.es:10317/13492
network_acronym_str ES
network_name_str España
repository_id_str
dc.title.none.fl_str_mv Estudio del óxido de bismuto, y otros óxidos metálicos, como electrodos positivos en baterías de zinc
Study of bismuth oxide, and other metal oxides, as positive electrodes in zinc based batteries
title Estudio del óxido de bismuto, y otros óxidos metálicos, como electrodos positivos en baterías de zinc
spellingShingle Estudio del óxido de bismuto, y otros óxidos metálicos, como electrodos positivos en baterías de zinc
Lorca Robles, Sebastián
Química
Electroquímica
Transmisión de energía
Electrolitos
Baterías
Química-Física
2210 Química Física
title_short Estudio del óxido de bismuto, y otros óxidos metálicos, como electrodos positivos en baterías de zinc
title_full Estudio del óxido de bismuto, y otros óxidos metálicos, como electrodos positivos en baterías de zinc
title_fullStr Estudio del óxido de bismuto, y otros óxidos metálicos, como electrodos positivos en baterías de zinc
title_full_unstemmed Estudio del óxido de bismuto, y otros óxidos metálicos, como electrodos positivos en baterías de zinc
title_sort Estudio del óxido de bismuto, y otros óxidos metálicos, como electrodos positivos en baterías de zinc
dc.creator.none.fl_str_mv Lorca Robles, Sebastián
author Lorca Robles, Sebastián
author_facet Lorca Robles, Sebastián
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Fernández Romero, Antonio Jesús
Santos Cutillas, Florencio
Ingeniería Química y Ambiental
dc.subject.none.fl_str_mv Química
Electroquímica
Transmisión de energía
Electrolitos
Baterías
Química-Física
2210 Química Física
topic Química
Electroquímica
Transmisión de energía
Electrolitos
Baterías
Química-Física
2210 Química Física
description [SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. En la sociedad actual, las baterías recargables se encuentran en el centro de atención de numerosos grupos de investigación, ya que son unos de los pilares fundamentales en la búsqueda de fuentes de energía alternativas, sostenibles, económicas y fiables. Actualmente, son las baterías de iones de litio las que más se comercializan, y se encuentran presentes en multitud de dispositivos electrónicos portátiles (smartphones, ordenadores portátiles, tabletas, etc.) y vehículos híbridos y eléctricos (coches, motos, patinetes, bicicletas, etc.). No obstante, estas baterías no terminan de cumplir con las expectativas en lo referente a requisitos de energía. Esto, unido a los problemas de seguridad que llevan asociadas, hace que su uso se resienta en servicios fundamentales. Es por ello por lo que surge la necesidad de encontrar un tipo de batería alternativa con una buena densidad de energía, un precio asequible y buena seguridad. Es aquí donde las baterías basadas en zinc (baterias de zinc con distintos óxidos metálicos o baterías de zinc-aire) toman importancia, ya que presentan una alternativa real a las baterías comercializadas actualmente. El óxido de bismuto (Bi2O3) presenta unas propiedades muy interesantes tales como su alta capacidad práctica, que se aproxima en gran medida a la capacidad teórica. Su excepcional reversibilidad redox, hace que presente una más que notable capacidad de ciclabilidad y una capacidad de descarga elevada. Sin embargo, el empleo del óxido de bismuto ha quedado relegado durante mucho tiempo a un mero aditivo en ánodos para suprimir la evolución de hidrogeno. En el presente trabajo se han estudiado electrodos confeccionados principalmente con este material, empleándolos en baterías de zinc con diferentes electrolitos, mediante ensayos espectroquímicos y electroquímicos. Así, se ha conseguido establecer una línea de investigación en la que el Bi2O3 se utiliza como material principal en baterías recargables de zinc. Para lograr baterías recargables polivalentes y seguras, los electrolitos de geles poliméricos (GPEs) juegan un papel fundamental, ya que serán los encargados de sustituir a los electrolitos líquidos a fin de prevenir posibles fugas y problemas de seguridad que puedan ocasionarse durante el funcionamiento de la batería. Se han empleado para este trabajo GPEs principalmente de PVA dopados con KOH para emplearlos en las baterías. Se ha comprobado que estos geles son perfectamente funcionales a la hora de ser empleados en diferentes tipos de baterías, logrando muy buenos resultados tanto de conductividad como de ciclabilidad, lo que pone de manifiesto la resistencia de este material y su aplicación real en dispositivos. A la hora de desarrollar una batería, hay que analizar el comportamiento de la misma a largo plazo. Normalmente esto se hace ciclando la misma durante un periodo de tiempo, pero sin saber que ocurre cuando falla. Para monitoriza el comportamiento durante el ciclado es imprescindible obtener información de los electrodos por separado. Esto se ha conseguido con muy buenos resultados gracias a la incorporación de un pseudoelectrodo de referencia, pudiendo detectar qué está causando el fallo de la batería en tiempo real y actuar en consecuencia. Por ello, resulta de gran ayuda a la hora de trabajar, el disponer de un equipo capaz de monitorizar los dos electrodos de la batería, que nos permitirá un avance más rápido y eficiente en la investigación. En este trabajo además se ha trabajado con materiales basados en RuO2 provenientes de descomposición térmica de unos precursores, que poseen demostradas actividades catalíticas tanto en la reacción de reducción de oxígeno (ORR), como en la reacción de evolución del oxígeno (OER). Estos se han probado como catalizadores en baterías de Zn-Aire, logrando unos resultados muy prometedores.
publishDate 2023
dc.date.none.fl_str_mv 2023
2024
2024
2024
dc.type.none.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
dc.identifier.none.fl_str_mv http://hdl.handle.net/10317/13492
url http://hdl.handle.net/10317/13492
dc.language.none.fl_str_mv Español
language_invalid_str_mv Español
dc.relation.none.fl_str_mv http://hdl.handle.net/10317/17345
http://hdl.handle.net/10317/17424
http://hdl.handle.net/10317/21208
dc.rights.none.fl_str_mv Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 España
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/
info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 España
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
application/pdf
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositorio Digital UPCT
instname:Universidad Politécnica de Cartagena(UPCT)
instname_str Universidad Politécnica de Cartagena(UPCT)
reponame_str Repositorio Digital UPCT
collection Repositorio Digital UPCT
repository.name.fl_str_mv
repository.mail.fl_str_mv
_version_ 1869405157389762560
spelling Estudio del óxido de bismuto, y otros óxidos metálicos, como electrodos positivos en baterías de zincStudy of bismuth oxide, and other metal oxides, as positive electrodes in zinc based batteriesLorca Robles, SebastiánQuímicaElectroquímicaTransmisión de energíaElectrolitosBateríasQuímica-Física2210 Química Física[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. En la sociedad actual, las baterías recargables se encuentran en el centro de atención de numerosos grupos de investigación, ya que son unos de los pilares fundamentales en la búsqueda de fuentes de energía alternativas, sostenibles, económicas y fiables. Actualmente, son las baterías de iones de litio las que más se comercializan, y se encuentran presentes en multitud de dispositivos electrónicos portátiles (smartphones, ordenadores portátiles, tabletas, etc.) y vehículos híbridos y eléctricos (coches, motos, patinetes, bicicletas, etc.). No obstante, estas baterías no terminan de cumplir con las expectativas en lo referente a requisitos de energía. Esto, unido a los problemas de seguridad que llevan asociadas, hace que su uso se resienta en servicios fundamentales. Es por ello por lo que surge la necesidad de encontrar un tipo de batería alternativa con una buena densidad de energía, un precio asequible y buena seguridad. Es aquí donde las baterías basadas en zinc (baterias de zinc con distintos óxidos metálicos o baterías de zinc-aire) toman importancia, ya que presentan una alternativa real a las baterías comercializadas actualmente. El óxido de bismuto (Bi2O3) presenta unas propiedades muy interesantes tales como su alta capacidad práctica, que se aproxima en gran medida a la capacidad teórica. Su excepcional reversibilidad redox, hace que presente una más que notable capacidad de ciclabilidad y una capacidad de descarga elevada. Sin embargo, el empleo del óxido de bismuto ha quedado relegado durante mucho tiempo a un mero aditivo en ánodos para suprimir la evolución de hidrogeno. En el presente trabajo se han estudiado electrodos confeccionados principalmente con este material, empleándolos en baterías de zinc con diferentes electrolitos, mediante ensayos espectroquímicos y electroquímicos. Así, se ha conseguido establecer una línea de investigación en la que el Bi2O3 se utiliza como material principal en baterías recargables de zinc. Para lograr baterías recargables polivalentes y seguras, los electrolitos de geles poliméricos (GPEs) juegan un papel fundamental, ya que serán los encargados de sustituir a los electrolitos líquidos a fin de prevenir posibles fugas y problemas de seguridad que puedan ocasionarse durante el funcionamiento de la batería. Se han empleado para este trabajo GPEs principalmente de PVA dopados con KOH para emplearlos en las baterías. Se ha comprobado que estos geles son perfectamente funcionales a la hora de ser empleados en diferentes tipos de baterías, logrando muy buenos resultados tanto de conductividad como de ciclabilidad, lo que pone de manifiesto la resistencia de este material y su aplicación real en dispositivos. A la hora de desarrollar una batería, hay que analizar el comportamiento de la misma a largo plazo. Normalmente esto se hace ciclando la misma durante un periodo de tiempo, pero sin saber que ocurre cuando falla. Para monitoriza el comportamiento durante el ciclado es imprescindible obtener información de los electrodos por separado. Esto se ha conseguido con muy buenos resultados gracias a la incorporación de un pseudoelectrodo de referencia, pudiendo detectar qué está causando el fallo de la batería en tiempo real y actuar en consecuencia. Por ello, resulta de gran ayuda a la hora de trabajar, el disponer de un equipo capaz de monitorizar los dos electrodos de la batería, que nos permitirá un avance más rápido y eficiente en la investigación. En este trabajo además se ha trabajado con materiales basados en RuO2 provenientes de descomposición térmica de unos precursores, que poseen demostradas actividades catalíticas tanto en la reacción de reducción de oxígeno (ORR), como en la reacción de evolución del oxígeno (OER). Estos se han probado como catalizadores en baterías de Zn-Aire, logrando unos resultados muy prometedores.[ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. Today, rechargeable batteries are at the spotlight of numerous research groups, since they are one of the fundamental topics in the search for alternative, sustainable, economical and reliable energy sources. Currently, lithium-ion batteries are the most marketed and ever-present batteries in a multitude of portable electronic devices (smartphones, laptops, tablets, etc.) and hybrid and electric vehicles (cars, motorcycles, scooters, bicycles, etc.). etc.). However, these batteries do not quite meet expectations in terms of energy requirements. This, together with the associated security problems, means that its use does not fulfil the requirements needed in fundamental services. There of arises the need to find an alternative type of battery with good energy density, an affordable price and good safety This is zinc-based batteries (zinc batteries with different metal oxides or zinc-air batteries) become important, since they emerge as a real alternative to the batteries currently marketed. Bismuth oxide (Bi2O3 exhibits some very interesting properties, such as its high practical capacity, which closely approaches the theoretical capacity. Its exceptional redox reversibility results in a remarkable cyclability and high discharge capacity. However, the use of bismuth oxide has long been limited to be a mere additive in anodes to suppress hydrogen evolution. In this study, electrodes composed of t Bi2O3 as active material have been investigated, using them in zinc batteries with different electrolytes through spectrochemical and electrochemical tests. Thus, a research line has been established in which Bi2O3 is employed as the main material in rechargeable zinc batteries. To achieve versatile and safe rechargeable batteries, polymeric gel electrolytes (GPEs) play a crucial role, as they are responsible for replacing liquid electrolytes to prevent potential leaks and safety issues during battery operation. In this study, GPEs primarily based on PVA doped with KOH have been used in batteries. It has been confirmed that these gels work perfectly when employed in different types of batteries, yielding excellent results in terms of conductivity and cyclability. This highlights the durability of this material and its practical application in electrochemical devices. When designing a battery, the long-term behavior must be considered. This is usually accomplished by cycling it for a period, but it is unknown what happens inside when it fails. To monitor batteries while cycling, information from the electrodes must be obtained separately. This was accomplished with very good results by monitoring both electrodes separately during operation, thanks to the incorporation of a pseudo-reference electrode. This method, extremely helpful in our work, enable researcher, general speaking for faster and more efficient progress in research. In this work, materials based on RuO2 obtained from the thermal decomposition of precursors have been used. These materials have demonstrated catalytic activities in both the oxygen reduction reaction (ORR) and the oxygen evolution reaction (OER). They have been tested as catalysts in Zn-Air batteries, achieving very promising results.Este trabajo de tesis ha contado con el apoyo financiero del proyecto “Impacts and recycling of devices for energy conversión and storage: sustainability of industrial production” (PID2019-104272-RB-C55/AEI/10.13039/501100011033. Proyecto financiado por la Agencia Estatal de Investigación (AEI) y cuyos investigadores responsables han sido Antonio Urbina Yeregui y Antonio J. Fernández RomeroEsta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. Está formada por un total de cuatro artículos: Artículo 1.-: Sebastián Lorca, Florencio Santos, José Abad, Yves Huttel, Antonio Urbina and Antonio J. Fernández Romero, 2020. Characterization of a new rechargeable Zn/PVA-KOH/Bi2O3 battery: structural changes of the Bi2O3 electrode. Sustainable Energy Fuels 2020, 4, 4497-4505. DOI: https://doi.org/10.1039/D0SE00551G. Artículo 2.-: Sebastián Lorca, Florencio Santos and Antonio J. Fernández Romero, 2020. A review of the Use of GPEs in Zinc-Based Batteries. A Step Closer to Wearable Electronic Gadgets and Smart Textiles. Polymers 2020, 12(12), 2812. DOI: https://doi.org/10.3390/polym12122812 Artículo 3.-: Sebastián Lorca, Florencio Santos, Javier Padilla, J. J. López Cascales and Antonio J. Fernández Romero, 2022. Importance of Continuous and Simultaneous Monitoring of Both Electrode Voltages during Discharge/Charge Battery Tests: Application to Zn-Based Batteries. Batteries 2022, 8(11), 221. DOI: https://doi.org/10.3390/batteries8110221. Artículo 4.-: Sebastián Lorca, Javier Torres, José L. Serrano, José Pérez, José Abad, Florencio Santos, and Antonio J. Fernández. 2023. Bifunctional P-Containing RuO2 Catalysts Prepared from Surplus Ru Co-Ordination Complexes and Applied to Zn/Air Batteries. Nanomaterials 2023, 13(1), 115. DOI: https://doi.org/10.3390/nano13010115Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad Politécnica de CartagenaUniversidad Politécnica de CartagenaPrograma de Doctorado en Energías Renovables y Eficiencia EnergéticaFernández Romero, Antonio JesúsSantos Cutillas, FlorencioIngeniería Química y Ambiental2024202420232024info:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10317/13492reponame:Repositorio Digital UPCTinstname:Universidad Politécnica de Cartagena(UPCT)Españolhttp://hdl.handle.net/10317/17345http://hdl.handle.net/10317/17424http://hdl.handle.net/10317/21208Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 Españahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/info:eu-repo/semantics/openAccessoai:repositorio.upct.es:10317/134922026-05-15T06:39:02Z
score 15,811543

Similar Items