Resumen de Desarrollo de electrodos y electrolitos para baterías sólidas de ión litio en lámina delgada obtenidos por sol‐gel
Las microbaterías de ión litio tienen un interés creciente en aplicaciones de baja potencia en una sociedad donde el número de sistemas electrónicos portátiles crece rápidamente. Las baterías recargables comerciales están basadas en electrolitos líquidos, que presentan diversas restricciones respecto al tamaño, seguridad y a la necesidad de separadores. Se ha realizado un importante esfuerzo en el desarrollo de microbaterías de ión-Li con todos sus componentes en estado sólido para aplicaciones en el control de edificios inteligentes, medicina y otras aplicaciones de carácter medioambiental.
Dentro de los posibles ánodos, la espinela Li4Ti5O12 tiene como principales ventajas su excelente reversibilidad y ciclado que son de un cambio volumétrico mínimo durante los ciclos de carga-descarga. Sus principales desventajas son un relativamente elevado potencial (1,55 V) y una reducida conductividad electrónica. Se han preparado recubrimientos de la espinela Li4Ti5O12 utilizando el método de inmersión-extracción sobre sustratos de cuarzo recubiertos previamente con oro. Los reactivos de partida han sido isopropóxido de titanio y acetato de litio. Se ha estudiado la influencia de la concentración del precursor de litio y del tratamiento térmico (temperatura y tiempo) sobre la estructura cristalina y el comportamiento electroquímico de los electrodos sintetizados. Los resultados de Difracción de Rayos X en ángulo rasante presentan la fase espinela sin impurezas tras la optimización de los diferentes parámetros de síntesis y procesamiento de capas. Los perfiles de concentración realizados con XPS y ToF-SIMS muestran una distribución homogénea de elementos a lo largo del espesor salvo en la zona superficial donde se aprecia un aumento de litio y una reducción de titanio. La caracterización electroquímica presenta el típico par de picos de oxidación-reducción entre 1,5 y 1,6 V (frente Li+/Li) correspondiente a la inserción-extracción de tres átomos de litio en la estructura del Li4Ti5O12. Las curvas de carga-descarga presentan asimismo una zona de voltaje constante en torno a 1,55 V (Li+/Li) y un buen comportamiento al ciclado a diferentes intensidades de corriente. El análisis por RBS presenta composiciones próximas a Li4Ti5O12 para electrodos recién preparados y tras un proceso de carga, y una composición cercana a Li7Ti5O12 tras un proceso de descarga.
Por otro lado, uno de los campos de investigación más activos en el campo de las baterías de ión-Li es el desarrollo de electrolitos sólidos eficientes. Tanto la conductividad iónica como la eficiencia del dispositivo dependen del electrolito y éste delimita las aplicaciones de las baterías. El electrolito es un conductor sólido de Li+ de naturaleza polimérica, inorgánica (materiales vítreos, cerámicos y vitrocerámicos) o híbrida orgánico-inorgánica. El principal inconveniente es que la conductividad iónica de estos materiales está por debajo de la de los electrolitos líquidos (10-3 S/cm a temperatura ambiente). La síntesis del material híbrido se basa en la adecuada combinación de un componente orgánico (monómeros), inorgánico (alcóxidos o alquilalcóxidos) e híbrido (alquilalcóxidos polimerizables), utilizando el método sol-gel y la ciencia de polímeros. En este trabajo, se han sintetizado electrolitos híbridos orgánico-inorgánicos en forma de lámina delgada por la ruta sol-gel en los sistemas GPTMS (3-glicidoxipropil trimetoxisilano) – TEOS (tetraetil ortosilicato), GPTMS –VINIL (trivinil etoxisilano) – EGDE (etilenglicol diglicidil éter), GPTMS – TMES (trimetiletoxisilano) – EGDE (etilenglicol diglicidil éter) o TPTE (trimetilpropano triglicidil éter) y TEOS – PEG (polietilénglicol). Se ha variado tanto la relación orgánico/inorgánico, el precursor de Li, atetato de litio (AcLi), trifluorosulfinimida de Litio (LiTFSA) ó triflato de litio (LiOTf), así como la relación de litio incorporado al sistema. Se ha caracterizado el material estructural y químicamente. Además, se ha determinado la conductividad iónica y, la ventana electroquímica y el número de transporte. La máxima conductividad iónica a temperatura ambiente es del orden de ~10-6 S cm-1 en el sistema TEOS/GPTMS, de 5,3x10-7 S cm-1 en el sistema GPTMS/VINIL/EGDE, de 1,3x10-5 S cm-1 en el sistema GPTMS/TMES/EGDE, de 1,6x10-6 S cm-1 GPTMS/VINIL/TPTE y de 5,4x10-5 S cm-1 en el sistema TEOS/PEG. Las ventanas de estabilidad electroquímica se sitúan en el intervalo 0-6 V (frente Li+/Li) y son mucho más amplias que las observadas en electrolitos sólidos poliméricos debido a la presencia de la red inorgánica. El número de transporte iónico ha sido en todos los casos ≤ 0,1, un valor bajo para este tipo de materiales debido en gran parte a la movilidad del contraanión.
