‘Selenur de Titani per a l’emmagatzematge d’energia’


Paraules Clau: Ciència de Materials, Teoria, Simulació, Bateries

Cristina Martínez, 4 de maig de 2021
Font de l’article: doi.org/10.1149/1945-7111/abed29

Aquest mes us portem un article publicat al Journal of the Electrochemical Society sobre les propietats mecàniques i electròniques del selenur de titani (TiSe2) amb àtoms de liti (Li) adsorbits en diferents llocs actius d’adsorció per a millorar el funcionament de sistemes d’emmagatzematge d’energia. Aquest estudi l’ha realitzat l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) en col·laboració amb dues universitats de Mèxic.

Els dicalcogenurs de metalls de transició (TMDCs) són materials formats per un metall de transició i un calcogen (grup 16 de la taula periòdica). Poden tenir diferents fórmules estructurals, així com MX, MX2, M2X3 i M3X4 (sent M el metall i X el calcogen). A l’hora d’emmagatzemar energia per a construir bateries, els materials bidimensionals (2D) són una bona elecció i els TMDCs es poden exfoliar per formar monocapes tal i com es fa amb el grafè. Altrament, aquests materials tenen associats bons valors de densitat energètica i suporten un nombre elevat de cicles de càrrega i descàrrega, pel que destaquen com a candidats a fer servir com a càtodes en bateries.

Al tenir diferents fórmules estructurals, els TMDCs poden actuar com a metalls, semiconductors o aïllants depenent de la ràtio metall-calcogen, pel que és molt útil fer simulacions on es minimitza l’energia del sistema per predir les seves propietats electròniques i mecàniques (a través de càlculs DFT) abans d’experimentar en el laboratori. En aquest article els autors han estudiat les propietats del TiSe2 en bulk, i com aquestes canvien en sistemes mono-, bi- i tricapa. A més a més han analitzat l’adsorció d’àtoms de Li en diferents llocs actius per potenciar el rendiment de les bateries que contenen aquest ió.

Per aquest tipus de simulacions electròniques i mecàniques primer s’ha de crear i optimitzar el sistema. Es col·loquen els àtoms en l’estructura desitjada i s’arriba a un mínim d’energia per a trobar els paràmetres de la cel·la en el material bulk. Un cop s’han trobat, es poden crear els sistemes amb 1, 2 i 3 capes i es poden col·locar els àtoms de Li en els diferents centres d’adsorció. Es pot veure tot aquest procediment i els diferents sistemes estudiats en la Figura 1.

Les propietats electròniques que s’han avaluat durant aquest estudi són el diagrama de bandes per als diferents models de TiSe2 (bulk i capes), la variació de l’energia d’adsorció i l’energia de cohesió quan l’àtom de Li és adsorbit en diferents centres actius per avaluar la seva estabilitat. Per altra banda, les propietats mecàniques estudiades són el mòdul de Young que indica la resistència del material al llarg de diferents orientacions cristal·logràfiques, la ràtio de Pugh per mesurar la seva elasticitat, la ràtio de Poisson per conèixer la naturalesa dels enllaços i la duresa Vickers. Les formules per trobar tots aquests factors les podeu trobar a l’article [1].

Els diagrames de bandes mostren que el sistema estudiat correspon a un metall, i que la seva estabilitat augmenta amb el nombre de capes. També es pot observar com els enllaços Ti-Se dels sistemes de capes, a través de la contribució dels seus orbitals en les bandes de conducció i de valència, tenen una naturalesa iònica-covalent. Per al sistema amb àtoms de Li adsorbits han trobat que el tipus d’adsorció és quimisorció independentment del centre actiu, ja que es formen enllaços amb altes forces d’interacció. Els àtoms de Li, a més, afavoreixen el comportament metàl·lic de la monocapa degut a què duen a terme una transferència de càrrega cap als àtoms de Se. Així doncs, el centre actiu més favorable per al liti (amb major energia d’adsorció i menor energia de cohesió) és en el que aquest es troba equidistant als àtoms de seleni veïns (hollow-site seguit de top-site de la Figura 1g).

Respecte a les propietats mecàniques, els autors ens mostren una taula amb les diferents constants pels diferents sistemes. Les constants elàstiques, la duresa Vickers i el mòdul de Young augmenten amb el nombre de capes. La ràtio de Pugh ens indica que tots els sistemes són mal·leables, i la ràtio de Poisson ens mostra com el sistema canvia de iònic-covalent cap a altament covalent quan s’afegeixen més capes. Respecte als sistemes amb Li adsorbit, les propietats mecàniques gairebé no canvien quan aquest està en un centre actiu favorable. El centre actiu menys favorable, en canvi, és el Bridge-site, ja que és en el que el mòdul de Young disminueix més.

Els resultats obtinguts en les propietats electròniques concorden amb els obtinguts en les propietats mecàniques, pel que finalment els autors poden arribar a la conclusió que els sistemes de TiSe2 més favorables per a fer servir en bateries d’ió liti són les monocapes amb àtoms de Li adsorbits en les posicions Top i Hollow.

Per més detalls sobre aquesta recerca podeu consultar l’article, referenciat més avall. 

Figura 1: Procés de creació dels sistemes estudiats. (a) i (b) corresponen a les vistes lateral i superior del sistema bulk. (c), (d) i (e) són els sistema mono-, bi- i tricapa respectivament. (f) mostra la monocapa creada per a dipositar el àtoms de liti en els diferents centres d’adsorció com es mostra a (g).

Referències:

[1] J. E. Antonio et al., “A First-Principles Investigation on the Electronic and Mechanical Properties of 1T TiSe2 Multilayers for Energy Storage,” Journal of The Electrochemical Society, vol. 168, p. 030531, 2021

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *