Estudio computacional de electrolitos usados en baterías de ion litio Público Deposited
Una batería de ion litio es un tipo de batería recargable en la que el ion litio se mueve de un electrodo negativo a uno positivo durante la descarga y viceversa en la carga. Este tipo de baterías usa un compuesto de litio intercalado como material en uno de los electrodos. Los principales componentes que constituyen a una batería de ion litio son el electrolito, que permite el movimiento iónico y los dos electrodos. Existe un particular interés en mejorar a los electrolitos, porque la estabilidad de estos compuestos es uno de los principales factores que limitan la tecnología de las baterías. En los últimos años se ha visto un intenso esfuerzo por introducir nuevos solventes, sales y aditivos que permitan mejorar el rendimiento de estos sistemas. Desde hace algún tiempo se ha introducido el uso de diferentes técnicas computacionales para el estudio de estos sistemas tan complejos, la elección de una de ellas depende del problema de interés. Muchos electrolitos con potencial aplicación en baterías de litio han sido estudiados con dinámica molecular. En este proyecto se hizo uso de este tipo de metodología. Las moléculas de solventes estudiadas en este trabajo fueron el 1-2, dimetoxietano (DME), el dietil carbonato (DEC), el carbonato de etileno (EC) y el carbonato de propileno (PC). Por otro lado, la única sal con la que se trabajó fue el hexafluorofosfato de litio (LiPF6). Estos compuestos son comúnmente utilizados en la formulación de electrolitos de baterías ion litio. Como punto de partida, se hizo una valoración de algunos de los campos de fuerza más populares: CHARMM, OPLS-AA y GROMOS. Al ver que estos fallan al reproducir el comportamiento de los componentes puros surgió la necesidad de la reparametrización para una mejor descripción de nuestros sistemas. El procedimiento seguido para la mejora de los campos de fuerza de los solventes fue el propuesto por Salas y colaboradores [56], en donde se relacionan parámetros del potencial intermolecular con propiedades objetivo particulares: las cargas atómicas, con la constante dieléctrica; la LJ que representa la atracción entre dos átomos, con la tensión superficial y la σLJ que es el volumen efectivo del átomo, con la densidad del líquido. Las cargas utilizadas durante el procedimiento fueron obtenidas de un cálculo de estructura electrónica (PBE0/6-311++G**) mientras que los parámetros de Lennard7 RESUMEN 8 Jones ( LJ y σLJ ) iniciales fueron los de OPLS-AA. Los campos de fuerza modificados a través de esta metodología reproducen, con errores relativos bajos, las tres propiedades objetivo mencionadas. Además, con ellos es posible predecir otras propiedades como la entalpia de vaporización y la viscosidad. Con los nuevos campos de fuerza mejorados, fue posible calcular algunas propiedades en mezclas binarias de solventes. Se logró reproducir la constante dieléctrica y la densidad de mezclas de PC-EC y PC-DME. Así mismo, se evaluó el comportamiento de una mezcla de PC-DEC en función de la temperatura obteniéndose excelentes resultados. No obstante, estos campos de fuerza no reproducen la solubilidad en agua utilizando el modelo TIP4P/ [24] lo que sugiere que deben ser modificados en pos de mejorar la predicción del comportamiento de mezclas solvente orgánico-agua. Por último, se construyó el campo de fuerza del LiPF6 (procedimiento descrito con detalle en la Sección 3.7) utilizando cargas parciales reducidas. El valor de la densidad del sólido calculados con simulaciones no se ajusta con el valor reportado experimentalmente. Sin embargo, cuando ese mismo campo de fuerza es utilizado para calcular la densidad de soluciones electrolíticas es posible reproducir, con errores relativos bajos, esta propiedad.
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