Metal-organic materials for energy storage and conversion
- Autores: Jorge Luis Montero Rodríguez
- Directores de la Tesis: Javier Carretero Gonzalez (dir. tes.), Silvia Licoccia (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Internacional Menéndez Pelayo (UIMP) ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Alessandra D'Epifanio (presid.), Marta Feroci (secret.), Giovanni Sotgiu (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencia y Tecnología por la Universidad Internacional Menéndez Pelayo
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
Esta tesis trata de la investigación de nuevos materiales órgano-metálicos para su aplicación en dispositivos de almacenamiento y conversión de energía, en particular baterías de iones de litio y baterías de flujo redox.
Con el objetivo de estudiar nuevos materiales de bajo costo y ecológicos como cátodos para baterías de iones de litio (LIBs), fueron sintetizadas una serie de estructuras organo-metálicas (MOFs) 1D y 2D basados en metales de transición y quinonas. Los MOF se sintetizaron en solución acuosa y se caracterizaron sus propiedades estructurales, morfológicas y físico-químicas. Sus propiedades electroquímicas se estudiaron en celdas de iones de litio. Los resultados sugieren que tanto el ligando como el centro metálico están involucrados en la reacción, participando como unidades híbridas completas en el almacenamiento de litio. También hemos demostrado que un tratamiento térmico del MOF es crucial para optimizar el rendimiento electroquímico de las medias celdas de iones de litio.
También exploramos la posibilidad de utilizar MOFs como materiales activos para baterías de flujo redox (RFB). La ruta sintética de dos MOFs 1D isoestructurales se modificó para mejorar su dispersabilidad en agua. Estas modificaciones permitieron la formación de soluciones acuosas y el empleo de separadores de celulosa de bajo coste como membranas. Ambas estructuras se caracterizaron electroquímicamente en una celda estática simétrica, mostrando una gran estabilidad.
Finalmente, con el propósito de mejorar la densidad energética de baterías de flujo redox orgánico acuoso (AORFBs), se estudiaron el ácido ferroceno disulfónico y el bis (trimetilamoniopropil) viológeno como posible pareja de electrolitos para operar a pH neutro. A pesar de la sensibilidad de los materiales activos a la luz y al oxígeno, la alta solubilidad en medio acuoso combinada con la amplia diferencia de potencial entre los procesos redox del viológeno y el ferroceno, permitió un aumento de la densidad de energía teórica de la batería.
The aim of this thesis is the investigation of innovative metal-organic materials for application in energy storage and conversion devices, in particular lithium-ion batteries and redox flow batteries.
With the objective to study new low-cost and eco-friendly materials as cathode for lithium ion batteries (LIBs) a series of 1D and 2D metal organic frameworks (MOFs) based on transition metals and quinones. The MOFs were synthesized in aqueous solution and their structural, morphological, and physico-chemical properties were characterized. Their electrochemical properties were studied in lithium-ion cells. The results suggest that both ligand and metal centre are involved in the reaction, participating as whole hybrids units in lithium storage. We have also evidenced that a thermal treatment to the MOF material is crucial to optimize the electrochemical performance of the lithium ion half-cells.
We also explored the possibility of using MOFs as active materials for redox flow batteries (RFBs). The synthetic route of two isostructural 1D metal organic frameworks was modified to enhance their water dispersibility. This modifications allowed formation of stable aqueous suspensions and the employment of low price cellulose separators as membranes. Both frameworks were electrochemical characterized in water suspension in a symmetrical static cell, showing a great stability.
Finally, with the purpose of improving the energy density of aqueous organic redox flow batteries (AORFBs), ferrocene disulphonic acid and bis(trimethylammoniopropyl) viologen were electrochemical studied as a possible couple of electrolytes for operation at neutral pH. Despite the sensitivity of the active materials to light and oxygen, the high solubility in aqueous media combined with the wide potential gap between the redox processes of viologen and ferrocenes allowed an increase of the theoretical energy density of the battery.
