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Propuestas de trabajo de Investigación

Podés realizar tu trabajo de investigación de grado y postgrado en el LaES. A continuación se presentan algunas de las posibilidades para realizar para realizar Tesis Doctorales (Física, Química, Energías Renovables, Materiales o Ingeniería), Trabajos Finales (Lic. en Física), Practicanatos (Lic. en Química), Practica Profesional Supervisada (Ingenieria), Pasantías, etc. El enfoque particular y la profundidad del estudio será adecuado correspondientemente.

Simulaciones aceleradas de procesos nanoscópicos en baterías de litio

Desde una perspectiva puramente teórica, es posible realizar una completa caracterización de la mayoría de los procesos nanoscópicos que suceden dentro de la batería empleando simulaciones convencionales de dinámica molecular con distintos niveles de teoría (clásica o cuántica). Lamentablemente, el poder de cómputo existente es insuficiente para alcanzar los tiempos de simulación necesarios para ello. Incluso los procesos más elementales, como la difusión de un ad-átomo o la rotación de un ángulo diedro en una molécula, involucran enormes escalas temporales que van desde el microsegundo al segundo. Si bien en el contexto de nuestra vida cotidiana estos tiempos pueden resultar pequeños, incluso las supercomputadoras más modernas no son capaces de alcanzarlos sin reducir drásticamente la complejidad del modelo usado para representar el sistema.

 

¿Por qué los movimientos del mundo nanoscópicos alcanzan escalas

temporales semejantes al movimiento de cuerpos en el mundo macroscópico?. La respuesta está en la complejidad de las interacciones atómicas que determinan múltiples configuraciones de gran estabilidad, donde el sistema queda “atrapado” durante largos periodos de tiempo. De esta manera, la evolución de los sistema nanoscópicos queda reducida a una sucesión de largos e irrelevantes tiempos de espera seguidos por rápidos eventos de escape que sólo llevan a estados atrapados cercanos. El reconocimiento de esta cinética de eventos raros permite concebir múltiples estrategias para construir métodos acelerados de simulación (hiperdinámica, metadinámica, etc.). Estos métodos son de gran interés para la comunidad científica y se encuentran actualmente en pleno desarrollo. De hecho, hemos contribuido al avance de los métodos acelerados mediante el desarrollo de el método híbrido HDDM y el OTFP y sus derivados [1,2].

En el presente plan estudiaremos procesos nanoscópicos inherentes a las baterías de litio utilizando métodos acelerados. Los sistemas de estudio en los que actualmente estamos trabajando son los electrodos de silicio, de litio metálico y de carbono-grafito. Nuestro objetivo es estudiar la difusión e intercalación del litio en estos materiales y otros materiales, la formación de dominios y fases durante su carga y descarga, la nucleación y crecimiento de estructuras como las dendritas sobre litio metal y/o cualquier otro proceso que ocurra dentro de las baterías de litio y sobre el cual los métodos acelerados puedan contribuir a mejorar su entendimiento.

[1] S. A. Paz y E. P. M. Leiva. Time Recovery for a Complex Process Using Accelerated Dynamics. J. Chem. Theory Comput., 11 (2015) 1725.

[2] S. A. Paz, E. Vanden-Eijnden y C. F. Abrams. Polymorphism at 129 dictates metastable conformations of the human prion protein N- terminal b-sheet. Chem. Sci., 8 (2017) 1225.

Materiales cristalinos libres de cobalto para cátodos de alta potencia en baterías de ion-litio

Uno de los principales desafíos en la generación de materiales catódicos de alta potencia es el desarrollo de estructuras estables y capaces de intercambiar iones litios con el medio sin alterar la estructura cristalina de manera drástica o irreversible. Los óxidos de laminares de litio-manganeso-níquel (LMNO) representan una familia estructural promisoria para el desarrollo de los mismos. Estos óxidos, pertenecientes al grupo espacial R-3m y/o C2/m, poseen la singularidad de contener litio en la interlámina formada por los metales de transición, así como dopante en los sitios cristalográficos de los metales de transición, lo cual genera una capacidad energética extra. Se pretende un trabajo desde un punto de vista sintético, estructural y/o computacional para establecer una relación estructura/propiedad del material activo, así como los mecanismos de desactivación. Una vez caracterizado el comportamiento en semi-celdas vs litio metálico, se procederá al ensamblado en batería vs un ánodo basado en SiOx/C desarrollado previamente en el LaES.

De esta manera se pretende un estudio completo y complementario entre técnicas experimentales y/o computacionales y celda completa para la investigación de materiales de alta potencia en baterías de ión-litio.

Modelado ab initio de materiales para baterías de litio

El objetivo general de la presente propuesta es contribuir al desarrollo de nuevos materiales activos para su utilización en baterías de litio de la próxima generación con alta densidad energética, alto rendimiento y larga durabilidad. Esto se llevará a cabo mediante la utilización de herramientas de modelado computacional de primeros principios.

Una de las tecnologías más promisorias para la próxima generación de baterías de Li, son las baterías recargables de litio-azufre. Éstas poseen una densidad de energía teórica de aproximadamente 6 veces mayor que la de las baterías convencionales comercializadas actualmente basadas en cátodos de óxidos metálicos de Li y ánodo de grafito.

Se trabajará en cercana colaboración con miembros del LaES que trabajan para sintetizar y caracterizar nuevos materiales activos para cátodos en baterías de Li-S.

Los cálculos computacionales se realizarán a nivel de DFT, empleando los programas SIESTA y Quantum ESPRESSO. Ambos códigos implementan DFT utilizando pseudopotenciales y orbitales localizados u ondas planas, y son paralelizables de manera eficiente para su ejecución en hasta varios cientos de procesadores. Se utilizarán otros códigos, ya sea disponibles en forma abierta o desarrollados “in house”, para llevar a cabo el análisis de la estructura electrónica de los sistemas estudiados.

Desarrollo de cátodos de alto contenido de azufre para baterías de Li-S

Luego de una taza de crecimiento de aproximadamente 7Wh/kg por año, la densidad de energía específica máxima de las baterías de ion litio se está aproximando a sus valores teóricos, por lo tanto llegando al límite de mejora en su rendimiento. La creciente demanda energética, así como también la necesidad de abandonar dispositivos impulsados por energía obtenida de fuentes fósiles, requieren el desarrollo de dispositivos de almacenamiento de energía de mayor densidad de energía específica. Debido a esto se están investigando intensamente nuevas tecnologías basadas en químicas de conversión multielectrónicas, como las baterías de Li-S. En la amplia mayoría de los estudios realizados en baterías de Li-S se utilizan cátodos cuya cantidad de azufre que va de 0,5 a 2,0 mg de azufre por cm2 de electrodo. Sin embargo, para que estas baterías puedan alcanzar una densidad de energía comercialmente competitiva se necesitan desarrollar cátodos con al menos 7,5 mg cm-2 de azufre. La respuesta electroquímica resulta fuertemente dependiente de la estructura, porosidad, conductividad eléctrica y iónica del electrodo, etc. Por lo tanto se propone el diseño de cátodos de alto contenido de azufre y la evaluación de sus propiedades electroquímicas. Para esto se trabajará con diferentes polímeros en la confección de los electrodos, buscando mejorar la conectividad entre las partículas de material activo, la conectividad con el colector de corriente, estabilidad mecánica y comportamiento electroquímico en general.

Modelado matemático de celdas electroquímicas

El modelado matemático es una etapa clave en cualquier proceso de desarrollo. En una celda electroquímica para almacenamiento de energía un modelo preciso permite interpretar los datos experimentales, predecir su comportamiento, identificar los procesos que limitan su velocidad de cargado y proporciona una comprensión profunda de los procesos físicos involucrados. A partir de modelos matemáticos podemos describir las escalas espaciales y temporales de las reacciones interfaciales, fenómenos de transporte multicomponente y múltiples fases que ocurren en una celda electroquímica, esto nos permite orientar el desarrollo de los materiales de electrodo, sus microestructuras, y la arquitectura que optimiza el funcionamiento de la celda.

Electrolitos poliméricos para baterías de litio metálico

El desarrollo de baterías basadas en reacciones electroquímicas multielectrónicas, como son las baterías de Li-S y Li-aire requieren la utilización de litio metálico como ánodo. Debido a su gran potencial de oxidación, el litio metálico reacciona con el electrolito durante el ensamblado de la batería, formando una interfaz de electrolito sólido (SEI). Los procesos de disolución-deposición de litio que ocurren en el ciclado de la batería producen ruptura de dicha SEI, consumo de metal y electrolito en la formación de nueva SEI, deposición de litio dendrítico, cortocircuitos internos, etc. Una de las estrategias más prometedoras para solucionar estos inconvenientes consiste en el diseño de electrolitos sólidos, particularmente electrolitos poliméricos.

Se propone el diseño y caracterización de electrolitos poliméricos en baterías de litio metálico. Para esto se elegirán polímeros con grupos funcionales que faciliten la difusión de los iones litio en el electrolito, como son por ejemplo grupos oxidados de tipo éster o carbonatos. Se estudiará además el efecto de agregar agentes entrecruzantes y/o materiales cerámicos, los cuales no sólo pueden mejorar la estabilidad mecánica y térmica del electrolito, sino que además puede aumentar la conductividad iónica si se utilizan cerámicas semiconductoras como por ejemplo TiO2.

Síntesis y caracterización de materiales basados en titanatos de litio para su empleo como ánodos en baterías de ión-litio

Los materiales activos basados en óxidos de titanio y sus compuestos derivados, como son los titanatos de litio, son actualmente la alternativa más cercana a los actuales ánodos basados en polvo de carbono-grafito. Su aplicación es la más inmediata a escala comercial, al punto de que ya existen algunas baterías con este material disponibles en el mercado a escala reducida. Los ánodos de titanatos de litio presentan algunas desventajas respecto a los de carbono-grafito. Entre estas desventajas, las dos más importantes son: a) su baja capacidad de carga específica (cantidad de carga almacenada por unidad de masa), y b) su baja densidad de energía específica (cantidad de energía almacenada por unidad de masa), que está asociada a la primera en conjunto con el voltaje de operación. Sin embargo, estos materiales presentan interesantes ventajas desde el punto de  vista de funcionamiento y seguridad, aspectos no menores a la hora de la comercialización y uso en consumo masivo. Estos aspectos son: su larga vida útil de ciclado, su estabilidad química y estructural, su alto rendimiento y eficiencia y sus muy bajas probabilidades de fallos con riesgo de explosión o combustión de la batería.

La propuesta de trabajo en esta línea de investigación consiste en la preparación de materiales de titanato de litio (Li4Ti5O12), ya sea por vía seca (calcinación de precursores) o por vía húmeda (métodos de sol-gel o hidrotermal), caracterizarlos por técnicas espectroscópicas, estudios de superficie y de estructura, y analizar su respuesta electroquímica (procesos redox, capacidad de almacenamiento de carga, rendimiento en velocidad). En particular se propone estudiar la incorporación de diferentes tipos de materiales carbonosos o polímeros conductores, con el objetivo de incrementar la conectividad interpartícula y la conductividad eléctrica del material, a fin de optimizar el rendimiento de almacenamiento de carga, tanto en ciclado prolongado a bajas corrientes como a altas velocidades de descarga.

La metodología de trabajo a aplicar se basa en la síntesis del material específico, su caracterización estructural, morfológica y superficial por medio de las técnicas disponibles actualmente en FaMAF (XRD, SEM, TGA, BET, XPS), y la caracterización completa de su comportamiento electroquímico aplicando las técnicas de curvas de carga-descarga a corriente constante, voltamperometría cíclica, espectroscopía de impedancia electroquímica y estudios de “rate capability” (o capacidad de almacenamiento a diferentes velocidades). Con los resultados obtenidos se pueden diseñar estrategias de modificación de etapas de síntesis, el agregado de aditivos o la modificación de tamaños de partículas, entre otros aspectos, con el objetivo de mejorar su rendimiento.