Estudio de las capas en la películas de diamantes ultrananocristalinos aislantes y diamantes ultrananocristalinos conductores con nitrógeno incorporado para electrodos de baterías de iones de litio - Saldaña Rivera, Julio Javier; De Obaldía Villarreal, Elida Isabel; Quiroga González, Enrique; Auciello, Orlando, 1945- (Panamá : Universidad Tecnológica de Panamá, 2024)
El presente trabajo aborda la problemática de la rápida degradación y la limitada eficiencia de las baterías de iones de litio (LIBs), dispositivos fundamentales en el almacenamiento de energía debido a su alta densidad energética, bajo peso y baja tasa de autodescarga. En este contexto, se investiga el uso de láminas de diamante ultrananocristalino (ultrananocrystalline diamond, UNCD) y diamante ultrananocristalino con nitrógeno incorporado (Nitrogen-incorporated, N-UNCD) sobre ánodos de grafito natural (Natual Graphite/ cooper, NG/Cu) para mejorar la estabilidad y el rendimiento de las LIBs. El objetivo principal de esta investigación es evaluar el efecto estabilizador del recubrimiento de ánodos de NG/Cu con láminas de UNCD y N-UNCD en media celdas LIBs. Se busca determinar cómo las láminas de UNCD y N-UNCD sobre ánodos de NG/Cu afectan el funcionamiento de las media celdas de LIBs, considerando su capacidad específica, eficiencia coulómbica, y sus procesos electroquímicos inherentes propios de la media celda, como la interfaz de electrolito sólido (SEI) y transferencia de carga. En esta investigación se ensamblaron medias celdas de LIBs con diferentes configuraciones de ánodos: NG/Cu, UNCD/NG/Cu y N-UNCD/NG/Cu con electrodo de referencia de litio metálico. La caracterización de estas celdas se realizó utilizando técnicas como ciclos de litiación y delitiación, capacidad específica, eficiencia coulómbica y espectroscopia de impedancia electroquímica (ElS); además, de considerar la distribución de los tiempos de relajación (DRT), y modelo de circuitos eléctricos equivalentes (ECM) para analizar los procesos electroquímicos propios de las media celdas en estudio, y contrastar sus resistencias para encontrar correlaciones que indique el efecto que ofrece la lámina de UNCD o N-UNCD sobre la superficie del ánodo de una media celda de LIB. El recubrimiento de ánodos de NG/Cu con láminas de UNCD o N-UNCD contribuye significativamente a mejorar la estabilidad y el rendimiento de las media celdas de LIB. Los resultados sugieren que este tipo de recubrimiento puede ser una solución viable para extender la vida útil y la eficiencia de las LIBs, lo cual es crucial para el desarrollo de tecnologías energéticas sostenibles.
This study addresses the issue of rapid degradation and limited efficiency of lithium-ion balteries (LIBs), crucial devices for energy storage due to their high energy density, low weight, and low self-discharge rate. In this context, the use of ultrananocrystalline diamond (UNCD) films and unique electrically conductive grain boundary nitrogen-incorporated ultrananocrystalline diamond (N-UNCD) on Natural Graphite (NG/Cu) anodes is investigated to enhance the stability of capacity energy versus charge/discharge cycles, safety and performance of LIBs with the new tranformational anodes. The primary objective of this research is to evaluate the stabilizing effect of UNCD and N-UNCD coatings on NG/Cu anodes in half-cell lithium-ion configurations. The study aims to determine how the UNCD and N-UNCD coating improve the performance of half-cells considering specific capacity, coulombic efficiency, and inherent electrochemical processes such as solid electrolyte interface (SEI) formation and charge transfer. Half-cell LIBs were assembled with different anode configurations, namely: NG/Cu, currently used in commercial LIBs, UNCD/NG/Cu, and N-UNCD/NG/Cu, alongside a metallic lithium reference electrode. Characterization of these cells involved techniques such as lithiation and delithiation cydles, specific capacity measurements, coulombic efficiency assessments, and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Additionally, distribution of relaxation times (DRT) and equivalent circuit models (ECM) were employed to analyze the electrochemical processes of the studied half-cells and compare their resistances to identify correlation indicative of the effect provided by the UNCD and N-UNCD coatings on the anode of a half-cell LIB. The use of UNCD and N-UNCD coatings on graphite anodes significantly contributes to improve the stability and performance of LIBs' half-cells. The findings suggest that such coatings could serve as a viable solution to extend the lifespan, safety and efficiency of LIBs, crucial for the advancement of sustainable energy technologies.
1. Marco introductorio. -- 2. Marco referencial. -- 3. Marco metodológico. -- 4. Análisis y discusión de los resultados. -- 5. Conclusiones. -- 6. Recomendaciones.
Tesis (
Incluye referencia bibliográfica, hojas 60-67, apéndice, hojas 68-70.
MCIFI
Julio Javier Saldaña Rivera.
Keywords: Materiales nanoestructurados; Electrodos; Nanotecnología; Celdas electrolíticas; Películas semiconductoras; Ciencia y tecnología; Tesis y disertaciones académicas; Maestría en Ciencias Físicas