El objetivo general es el desarrollo de electrodos para baterías de ion litio o de ion sodio de alta energía específica y se plasma en las vías de investigación previstas.
Baterías de litio. En cuanto a los materiales para este tipo de baterías nos proponemos controlar el potencial del par redox Mn⁺/M⁽ⁿ¹⁾⁺ para llevarlo al rango de 4.5-5 V por ser el valor de estabilidad máxima en el caso de los electrolitos líquidos comerciales, mediante ajuste del contenido de oxígeno y de flúor de oxifluoruros de metales de transición. Así en el caso de fluoruros cuyo potencial de extracción de litio esté por encima de 5 V (por ejemplo Li₃FeF₆) serán dopados con oxígeno para disminuir ligeramente su potencial y llevarles al rango de interés. Por el contrario en el caso de óxidos con no demasiado potencial de oxidación (ejemplo H₂V₃O₈, E <3.5V), serán dopados con flúor con el mismo fin. Desde cualquiera de estas dos aproximaciones se obtendrán diversos materiales del tipo oxifluoruros pero todos con un alto potencial de reducción/oxidación.

La segunda vía de estudio en el campo de las baterías de sodio. Tanto los óxidos de partida como los fluoruros de partida serán investigados como anfitriones de sodio, así como los compuestos derivados de ellos por dopaje respectivo de flúor y oxígeno. Existe actualmente un gran desconocimiento, por haber muchos menos casos estudiados, de la química de intercalación de sodio, por lo que en nuestra metodología se contempla la investigación paralela frente a sodio de cualquier electrodo que se prepare para su intercalación con litio. Esto permitirá crea un cuerpo de conocimiento para futuros desarrollos de compuestos exclusivos, si lo fueran, de sodio. De hecho la medida de los coeficientes de difusión de ambos iones en los mismos compuestos mediante técnicas de RMN y
técnicas electroquímicas será llevada a cabo como uno de los objetivos, y despertará gran interés entre la comunidad científica al permitir sacar conclusiones con un nivel muy alto de proyección en futuras investigaciones. Éstas podrían ser llevada a cabo en la segunda fase de este proyecto en función de resultados.

El tercer pilar de estudio de este objetivo está centrado en el estudio de Nasicones. En paralelo será realizada la síntesis de materiales A^1+xM_2xIn_x(PO₄)₃ (A= Li,Na; M=Sc,Ti,Zr) con estructura Nasicon, en los que será analizada posteriormente la inserción/ extracción de litio o sodio. En una etapa posterior serán investigado su comportamiento como electrodos y electrolitos en dispositivos electroquímicos.

Está previsto también el estudio estructural y espectroscópico de todos los materiales preparados así como su uso en combinación con los materiales desarrollados en el Objetivo 2 para el ensamablado de baterías en estado sólido experimentales de tamaño CR2032.

En el desarrollo de este objetivo, se va a trabajar en metodología de "Química Verde". Siempre que sea posible, los materiales que se van a preparar van a serlo mediante métodos suaves y rápidos (bajo coste energético y temporal) y a partir de disolventes y reactivos poco contaminantes o fácilmente reciclables. De este modo se priorizan los métodos hidrotermales o combinación hidrotermal con microondas, métodos en los que algunos de los grupos tienen amplia experiencia. Como ventaja adicional estos métodos permiten previo control de condiciones la obtención de dichos materiales de forma nanoestructurada, y así se espera una mejora de las prestaciones relacionadas con ciclabilidad y sostenmiento de corrientes más elevadas.

 

Cualquiera de los materiales desarrollados en este objetivo que muestren prestaciones competitivas con los comercializados actualmente serán pasados a la fase de prototipado por si solos o en combinación con los que se desarrollen en el Objetivo 2 (electrolito). El objetivo en este caso sería al demostración de prestaciones de baterías prismáticas (7,5 cm x 4,5 cm) de 3.5 a 4.5 V.

Las actividades previstas para la consecución de los objetivos propuestos son:

Actividad 1:  Preparación de los materiales en forma de polvo para posterior elaboración de cerámicas densas.

Actividad 2: Caracterización estructural, microestructural y composicional . Utilización de las técnicas RMN para estudiar los sitios ocupados y la movilidad de los iones Li y Na.

Actividad 3: Estudio de los factores estructurales que favorece la conductividad iónica. En este apartado semedirán los coeficientes de difusión con la técnica RMN (PFG).

Actividad 4: Preparación de materiales con tamaño de partícula nanométrico utilizando diversas técnicas: solgel, activación mecánica, ópalos inversos, con el fin de evaluar la influencia del menor tamaño de partícula sobre las propiedades de transporte.

Actividad 5: Preparación y caracterización de nanocomposites (incorporación a membrana polimérica de conductores iónicos rápidos tipo perovskita, NASICON y granate). En membranas de polisulfona sulfonada se intercambiará H⁺ por Li⁺ o Na⁺. Estudio de las prestaciones electroquímicas de electrolitos sólidos.

Actividad 6: Escalado del proceso de síntesis y fabricación de electrolitos sólidos (capas delgadas y membranas poliméricas) de calidad suficiente para ser utilizados en dispositivos electroquímicos .

Los hitos previstos en el desarrollo del programa de investigación dentro de este objetivo son:

A los 18 meses:

1.  Preparación de compuestos con elevada conductividad
2. Obtención de nanomateriales
3. Caracterización estructural y microestructural de materiales cerámicos
4. Caracterización eléctrica demateriales
5. Desarrollo de rutas químicas solgel para la preparación de láminas delgadas.
6. Elaboración de diferentes artículos.

De 18 a 36 meses:

1. Optimización de interfases electrodoelectrolito
2. Optimización de las propiedadesmecánicas, térmicas y electroquímicas
3. Preparación de materiales híbridos organicoinorgánicos.

De 36 a 48 meses:

1. Escalado del proceso de síntesis
2. Procesado de electrodos y electrolitos para elaboración de baterías de estado sólido
3. Oferta tecnológica.
4. Elaboración de una patente.
5. Redacción de distintos artículos y elaboración de dos Tesis Doctorales.