Electrolytes and interfaces in calcium and magnesium rechargeable batteries

Resum

El desenvolupament d’una nova generació de bateries (post Li) tindrà, durant els propers anys, un impacte important en la transició de combustibles fòssils a noves fonts d’energia renovables. Dels diferents conceptes de bateries d’aquesta pròxima generació, destaquen els que utilitzen metalls divalents com elèctrodes negatius (especialment Ca i Mg), atesa la seva combinació de baix potencial estàndard de reducció i la seva gran abundància. El desenvolupament de bateries de Ca i Mg metall s’ha vist històricament obstaculitzat a causa de la limitada opció d’electròlits orgànics que permetin la deposició i dissolució reversible del metall, una condició necessària per a un funcionament continu i estable de l’elèctrode metàl·lic. En aquesta tesi es presenten alguns esforços en optimitzar electròlits orgànics per a l’electrodeposició de Ca, amb certs paral·lelismes a l’aplicació en el cas del Mg. En aquest treball, la formulació de l’electròlit, que es basa en una barreja de sal, dissolvent i additius, s’estudia des de tres punts de vista complementaris: la preparació de les sals de Ca, les propietats fisicoquímiques dels electròlits obtinguts i l’avaluació del seu rendiment electroquímic, que inclou també la possible descomposició de l’electròlit per reducció i la formació d’una capa de passivació a l’elèctrode. Tot i que els tres punts de vista estan separats en diferents capítols, no estan realment aïllats, i les interaccions es discuteixen al llarg d’aquest document. En particular, la solvatació del catió apareix com un paràmetre físic de vital importància que afecta els tres punts de vista: està influenciada per la sal i el dissolvent, és responsable de les propietats macroscòpiques (com la conductivitat iònica i la ionicitat), i afecta, alhora, a la dinàmica d’electrodeposició i a la naturalesa de la capa de passivació formada. Per tant, en aquesta tesi es presenten alguns detalls enfocats en la manipulació de l’esfera de solvatació del catió, com una via per optimitzar el funcionament d’un elèctrode de Ca metàl·lic. A més a més, també es presenta un estudi sobre les capes de passivació formades en elèctrodes metàl·lics de calci en funció de la formulació de l’electròlit. S’ha demostrat que la capa de passivació a base de borat, que es produeix in situ per descomposició d’anions o additius, afavoreix l’electrodeposició de calci, en contrast amb una capa de passivació a base de carbonat, que sembla bloquejar totalment els cations de calci. Estudis futurs aclariran de manera més precisa la composició d’aquesta capa basada en borats, i facilitaran el camí per a la utilització de capes de passivació generades artificialment en futures bateries de calci.

Data del Ajut	5 d’abr. 2022
Idioma original	Anglès
Supervisor	Alexandre Ponrouch (Director/a) & Patrik Johansson (Director/a)