Electrolytes and interfaces in calcium and magnesium rechargeable batteries

Resumen

El desarrollo de una nueva generación de baterías (post Li) tendrá, en los próximos años, un impacto importante en la transición de combustibles fósiles a nuevas fuentes de energía renovables. De los diferentes conceptos de baterías de próxima generación, destacan los que utilizan metales divalentes como electrodos negativos (especialmente Ca y Mg), dada su combinación de bajo potencial estándar de reducción y su gran abundancia. El desarrollo de baterías de Ca y Mg metal se ha visto históricamente obstaculizado debido a la limitada opción de electrolitos orgánicos que permitan la deposición y disolución reversible del metal, una condición necesaria para un funcionamiento continuo y estable del electrodo metálico. En esta tesis se presentan algunos esfuerzos en la optimización de electrolitos orgánicos para la electrodeposición de Ca, con ciertos paralelos a la aplicación en el caso de Mg. La formulación del electrolito, que se basa en una mezcla de sal, disolvente y aditivos, se estudia en este trabajo desde tres puntos de vista complementarios: la preparación de las sales de calcio, las propiedades fisicoquímicas de los electrolitos obtenidos y la evaluación de su rendimiento electroquímico, que incluye también la posible descomposición del electrolito por reducción y la formación de una capa de pasivación en el electrodo. Aunque los tres puntos de vista están separados en diferentes capítulos, no están realmente aislados, y sus interacciones se discuten a lo largo de este documento. En particular, la solvatación del catión aparece como un parámetro físico de vital importancia que afecta los tres puntos de vista: está influenciada por la sal y el disolvente, es responsable de las propiedades macroscópicas (como conductividad iónica e ionicidad), y afecta, a su vez, la dinámica de electrodeposición y a la naturaleza de la capa de pasivación formada. Por lo tanto, en esta tesis se presentan algunos detalles enfocados en la manipulación de la esfera de solvatación del catión, como una vía para optimizar el funcionamiento de un electrodo de Ca metálico. Además, se presenta aquí un estudio sobre las capas de pasivación formadas en electrodos metálicos de calcio, en función de la formulación del electrolito. Se ha demostrado que la capa de pasivación a base de borato, que se produce in-situ por descomposición de aniones o aditivos, favorece la electrodeposición de calcio, en contraste con una capa de pasivación a base de carbonato, que parece bloquear totalmente los cationes de calcio. Estudios futuros elucidarán de manera más precisa la composición de esta capa basada en boratos, y allanarán el camino para la utilización de capas de pasivación generadas artificialmente en futuras baterías de calcio.

Fecha de lectura	5 abr 2022
Idioma original	Inglés
Supervisor	Alexandre Ponrouch (Director/a) & Patrik Johansson (Director/a)