Filmes finos de óxidos ternários litiados Li(NiCoMn)O² depositados por RF magnetron sputtering

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Sanchez Lopez, Daniel Andres
Data de Publicação: 2024
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UEL
Texto Completo: https://repositorio.uel.br/handle/123456789/11110
Resumo: Resumo: A demanda crescente por baterias com altas densidades de energia, para dispositivos portáteis e veículos elétricos, esbarra na origem esgotável dos materiais atualmente empregados A previsão de esgotamento das reservas de cobalto, principal componente das baterias de íon lítio, é entorno de cinquenta anos Os óxidos de metais de transição ternários do tipo lamelar com parcial substituição do cobalto em sua composição (LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2) são os compostos mais promissores para substituírem os eletrodos ricos em cobalto (LiCoO2), e isso já vem acontecendo comercialmente Contudo, a eficiência desse material como eletrodo não é plenamente alcançada devido à instabilidade dos eletrólitos nos altos potenciais de oxidação requeridos nos processos de carga Nesse trabalho, filmes finos foram depositados por RF sputtering com objetivo de compreender como as propriedades cristalográficas e morfológicas dos eletrodos ternários podem impactar na otimização da sua eficiência eletroquímica Os parâmetros de deposição que influenciam na estequiometria, morfologia superficial e rendimento eletroquimico foram investigados utilizando-se um planejamento fatorial de experimentos do tipo 2, sendo a composição atômica, a caracterização cristalográfica, a morfológica, e a eletroquímica dos filmes ternários caracterizadas respectivamente por fluorescência de raios X, difração raios X, espectroscopia no infravermelho, microscopia de força atômica, e cronopotenciometria Cada experimento do planejamento mostrou filmes relativamente diferentes tanto em morfologia como em composição química As medidas de difração e fluorescência de raios X indicam, respectivamente, eletrodos parcialmente cristalinos com pronunciada orientação preferencial e concentrações maiores de manganês em relação aos outros metais, para todos os filmes depositados por sputtering Os estudos topográficos exibiram filmes com morfologia granular e tamanhos de grãos diferentes, diretamente dependentes da potência de deposição A capacidade de carga dos filmes sofre forte influência da potência de deposição, que produz filmes subestequiométricos e com maior rugosidade superficial O valor da capacidade de carga para o filme depositado com 1 W e 5 mL/min foi de aproximadamente 25 mAh/g, valor superior ao encontrado na literatura para eletrodos convencionais em pó com aditivos que é de 2 mAh/g Esses resultados revelaram que os caminhos a serem trilhados para se aumentar a capacidade de carga dos eletrodos de baterias recarregáveis de íon lítio com óxidos ternários, que mais se relaciona com as características morfológicas e cristalográficas do que com a concentração de metais
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Universidade Estadual de Londrina, Centro de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em FísicaAbstract: The growing demand for batteries with high energy densities, for portable devices and electric vehicles, runs into the exhaustible source of the materials currently employed The prediction of the depletion of cobalt reserves, the main component of lithium-ion batteries, is around fifty years The ternary transition metal oxides of the lamellar type with partial substitution of the cobalt in their composition as (LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2) are the most promising compounds to be used to replace the cobalt-rich (LiCoO2) elements as electrodes in, lithium ion batteries and this has already been happening commercially However, the efficiency of this material as an electrode is not fully achieved due to the instability of the electrolytes in the high oxidation potentials required in the charging processes In this work, thin films were deposited by RF sputtering in order to understand how the crystallographic and morphological properties of ternary electrodes can impact the optimization of their electrochemical efficiency, since they have excellent electrochemical characteristics such as high load capacity, good structural stability and low cost of manufacturing compared to other cathode materials The electrochemical performance of ternary oxides depends on several factors, such as their stoichiometry, surface area, electrical and ionic conductivity, among others As a way of investigating the physical and chemical properties of lithiated ternary oxides in different stoichiometries and roughness without addition of binder or conductive additives, thin film technology was used for the production of ternary electrodes deposited by RF magnetron sputtering The deposition parameters influencing the stoichiometry, surface morphology and electrochemical efficiency were investigated using a factorial design of experiments of the type 2 2, being the atomic composition, the crystallographic characterization, the morphological characterization, and the electrochemistry of the ternary films characterized respectively by X-ray fluorescence, X-ray diffraction, infrared spectroscopy, atomic force microscopy, and chronopotentiometry Each planning experiment showed relatively different films in both morphology and chemical composition The X-ray diffraction and fluorescence measurements indicate, respectively, partially crystalline electrodes with pronounced preferential orientation and higher concentrations of manganese in relation to the other metals, for all films deposited by sputtering Topographic studies showed films with granular morphology and different grain sizes, directly dependent on deposition power The loading capacity of the films is strongly influenced by deposition power, which produces sub-stoichiometric films with a higher surface roughness The value of the load capacity for the film deposited at 1 W and 5 mL / min was approximately 25 mAh / g, higher than that found in the literature for conventional powdered electrodes with additives that is 2 mAh / g These results revealed that the paths to be taken to increase the charge capacity of the rechargeable lithium ion electrodes with ternary oxides, which is more related to the morphological and crystallographic characteristics than to the concentration of metalsUrbano, Alexandre [Orientador]Silva, Paulo Rógeiro Catarini daAmorin, Luis HenriqueSanchez Lopez, Daniel Andres2024-05-01T13:10:04Z2024-05-01T13:10:04Z2018.0026.10.2018info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttps://repositorio.uel.br/handle/123456789/11110porMestradoFísicaCentro de Ciências ExatasPrograma de Pós-Graduação em FísicaLondrinareponame:Repositório Institucional da UELinstname:Universidade Estadual de Londrina (UEL)instacron:UELinfo:eu-repo/semantics/openAccess2024-07-12T04:20:06Zoai:repositorio.uel.br:123456789/11110Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.bibliotecadigital.uel.br/PUBhttp://www.bibliotecadigital.uel.br/OAI/oai2.phpbcuel@uel.br||opendoar:2024-07-12T04:20:06Repositório Institucional da UEL - 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