2D materials for energy storage applications
- Autores: Laura Sierra Trujillo
- Directores de la Tesis: Pilar Ocón Esteban (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2024
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 138
- Títulos paralelos:
- Materiales 2D para aplicaciones de almacenamiento de energía
- Tribunal Calificador de la Tesis: Jorge Andrés Rodríguez Navarro (presid.), Celia Polop Jordá (secret.), Carmen Morant Zacarés (voc.), Juan Carlos Pérez Flores (voc.), Maider Zarrabeitia Ipiña (voc.)
- Programa de doctorado: Electroquimica, Ciencia y Tecnologia
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
- Resumen
En los últimos años debido a la necesidad de un cambio hacia el uso de energías renovables, así como la sustitución de los combustibles fósiles convencionales por otras alternativas, ha dado lugar a un crecimiento en el desarrollo y la investigación de nuevas tecnologías competentes en el campo del almacenamiento de energía que permitan esta transición. En este sentido, la investigación en baterías, especialmente las baterías de litio han tenido un crecimiento exponencial en los últimos años focalizándose especialmente en el desarrollo de nuevos ánodos, cátodos y electrolitos que aporten mayores capacidades específicas y densidades energéticas. La mejora de los electrólitos convencionales con la introducción de aditivos, así como la sustitución de estos por alternativas más seguras como pueden ser los electrólitos sólidos son soluciones propuestas actualmente. No obstante, el desarrollo de nuevos sistemas de almacenamiento de energía no puede quedar limitado solo a baterías de litio, que a pesar de poseer propiedades muy interesantes, estas pueden ser sustituidas por soluciones más económicas y sostenibles para determinadas aplicaciones en diferentes campos. En ese sentido, el desarrollo y la investigación de los suspercondesadores (SCs) ha sido muy estudiada en los últimos años dado que suelen ofrecer prestaciones baratas y sostenibles como es el uso de electrodos de carbón poroso, y electrólitos acuosos. No obstante, su aplicación está limitada a situaciones con requerimientos de potencia elevada, mientras que la capacitancia y energía especifica suele estar limitada a valores bajos en comparación con las baterías, por ello, la introducción de otros dispositivos hace de puente entre estas dos tecnologías, mejorando la capacidad y la energía específica más cercana al comportamiento de una batería y manteniendo las propiedades de los SCs como puede ser la rápida carga-descarga así como el uso de electrólitos más sostenibles. Estos dispositivos se conocen como Pseudocondesadores (PCs) cuando se introduce especies activas redox en la estructura o Condesadores híbridos (HCs) cuando uno de los electrodos es tipo batería o cuando se introduce un electrolito redox.
En esta tesis se estudian varios tipos de dispositivos, en primer lugar, baterías de litio mediante el uso de ánodos de Ge con diferentes formas y tamaños. Este estudio demuestra cómo afecta el tamaño de partícula en el comportamiento general del electrodo durante la inserción de litio y ha sido estudiado utilizando diferentes técnicas electroquímicas como la GCD, CV o EIS con lo que se ha podido concluir como el uso de nano láminas de 2D -Ge obtenidas por un método barato y rápido muestran resultados prometedores con alta capacidad especifica, mayor que cuando se trabaja con partículas de menor tamaño (Ge sub-mP). Además, los estudios fisicoquímicos a través de Raman, XPS, XRD han permitido determinar cómo las nano láminas de 2D -Ge no perdían la cristalinidad tras la carga-descarga mientras que el material Ge sub mP se amorfiza completamente afectando claramente la estabilidad de la batería.
Por otro lado, en esta tesis doctoral se incluye el estudio de COFs de las singlas en inglés -Covalent Organic Framework-, como electrodos en EDLCs. El interés de este material es debido especialmente a la alta porosidad intrínseca que presentan que combinada con una porosidad jerárquica aportada por la estructura aerogel, generan poros de diferente tamaño, lo que permite mejorar la conductividad, así como la capacitancia total. Además, la alta estabilidad química de estos materiales permite el uso de ellos con diferentes electrólitos durante un alto número de ciclos de carga/descarga. En este estudio se ha incluido el análisis de dos estructuras de COF diferente, una de las cuales posee un anillo de triazina en su estructura. Las diferencias entre estas dos estructuras se han evaluado con el uso de dos electrólitos acuosos (H2SO4 1 M y KOH 6 M) y un electrólito orgánico TBAPF6 0.25 M en ACN. A través de las diferentes técnicas electroquímicas como la CV, GCD y EIS se ha estudiado como influye el tamaño de poro del COF con el tamaño de los iones del electrólito, observándose mejores valores de capacitancia en el caso del electrolito acuoso KOH 6 M así como valores muy bajos de -0 que indican una rápida cinética propia de los EDLCs. En general, este trabajo permite disponer de un método para identificar el mejor electrólito en función del tamaño del poro logrando así los mejores resultados.
A continuación, se ha estudiado como influye la adición de un par redox como la hidroquinona (HQ) en el electrolito trabajando con los mismos electrodos anteriormente, con la misma composición. En este caso se ha analizado una única estructura, la que incluye el anillo de triazina, con dos electrólitos diferentes uno acuoso, H2SO4 0.1 M +HQ 0.38 M y otro orgánico TBAPF6 0.25 M + HQ 0.38 M, mostrando para ambos un aumento significativo en los valores de capacitancia, aunque los mejores resultados han sido obtenidos para el electrolito en medio ácido. En este trabajo se han aplicado las mismas técnicas electroquímicas mencionadas en el trabajo anterior y nos han permitido conocer su comportamiento en profundidad. Los resultados para medio ácido muestran capacitancias muy prometedoras, mostrando valores superiores a otros descritos en bibliografía para composiciones similares.
Además, se ha estudiado el uso de otras estructuras tipo COF modificadas para su uso como electrodos en pseudocapacitores. En este caso, se ha conseguido la introducción de grupos funcionales C=O en las estructuras anteriormente mencionadas que contenían triazina a través de la técnica de intercambio de ligando, lo cual permite mantener la estructura tipo aerogel, y dando lugar a una estructura más estable químicamente, con grupos que pueden actuar como centros redox y con porosidad jerárquica. En este estudio se ha trabajado con un electrólito orgánico añadiendo diferente cantidad de ácido trifluoro acético, esta adición permite la protonación de los enlaces C=O dando lugar a una reacción redox reversible que aumenta la capacitancia total, siendo esta mayor con aumento de la cantidad de ácido añadido, aunque la ventana de potencial se ve comprometida con el aumento de este, mostrando los mejores valores con 20 porciento de ácido trifluoro acético.
Por último, durante la estancia en -Helmholtz Institute Ulm-, en Ulm, Alemania. Se ha realizado la aplicación de los electrodos basados en COF para uso en baterias LIBs y SIBs. En este caso se han estudiado dos estructuras, la primera que posee el anillo de triazina, y la segunda con el anillo de triazina y la incorporación de grupos C=O en la estructura. Se esperaba que esta incorporación aumentara el número de sitios redox activos para la inserción de litio en la estructura con el correspondiente aumento de capacidad especifica. En este estudio se ha trabajado con diferentes electrolitos utilizados comúnmente en baterías, partiendo del electrolito LIPF6 1 M EC:DMC y realizando modificaciones con el fin de mejorar la estabilidad de la interfase y los propiedades en general, además se ha complementado con un estudio de XPS con el fin de analizar los cambios ocurridos durante la inserción desinserción de litio. Finalmente se ha probado también estos materiales para baterías de sodio.
Durante esta tesis doctoral se han publicado dos artículos en revistas científicas de alto índice de impacto, y se espera que dos más sean publicados en los próximos meses. Además, se ha participado en diversos congresos científicos con el fin de divulgar y compartir este conocimiento, así mismo. Como resumen general esta tesis doctoral presenta dispositivos que ofrecen soluciones para las diferentes demandas en el mercado, por lo que se espera que suponga un avance en dicho campo, así como que permita continuar y mejorar la investigación de materiales similares para los dispositivos de almacenamiento de energía del futuro.
