Síntesis y caracterización del cátodo de LiNi0,5Mn1,5O4 y evaluación de su compatibilidad con el N-metil N-propilpiperidinio bis(fluorosulfonil)imida (Pip13FSI)

Abstract

Los líquidos iónicos (ILs) han surgido como una alternativa viable para reemplazar los solventes orgánicos que comúnmente son empleados en baterías de ion-litio (LIBs), debido a las propiedades que presentan tales como baja volatilidad, buena estabilidad térmica y electroquímica, entre otras. En el presente trabajo, se estudió las propiedades electroquímicas de un líquido iónico basado en N-metil N-propilpiperidinio bis(fluorosulfonil)imida (Pip13FSI) y bis(trifluorometanosulfonil)imida de litio (LiTFSI) como electrolito, y su comparación con un electrolito convencional, 1.0 M LiPF6 disuelto en carbonato de etileno y dimetilcarbonato 50:50 v/v. Para poder realizar estos estudios se sintetizó el cátodo LiNi0,5Mn1,5O4, el cual fue caracterizado mediante espectroscopia Raman, IR, difracción de rayos X, microscopía electrónica de barrido y energía dispersiva de rayos X. El líquido iónico, así como el electrolito convencional fueron evaluados en una media celda Li/LiNi0,5Mn1,5O4 con la finalidad de examinar el efecto en las propiedades electroquímicas del cátodo LiNi0,5Mn1,5O4. Se ensambló una batería tipo moneda de ion-litio con el cátodo mencionado anteriormente, IL como electrolito y un ánodo de litio, posteriormente, para evaluar el desempeño de la batería se emplearon métodos de caracterización electroquímica tales como voltamperometría cíclica, medidas galvanostáticas de carga/descarga y espectroscopia de impedancia electroquímica. Se obtuvo la fase Fd-3m del LiNi0,5Mn1,5O4 con un alto grado de cristalinidad, asimismo, se confirmó la compatibilidad del líquido iónico con el LiNi0,5Mn1,5O4 dado que se observó la formación de la capa CEI.

Ionic liquids (ILs) have emerged as a viable alternative to replace traditional organic solvents used in lithium-ion batteries (LIBs) due to their properties such as low volatility and good thermal and electrochemical stability, among others. In the present work, the electrochemical properties of ionic liquid based on N-methyl N-propylpiperidinium bis(fluorosulfonyl)imide (Pip13FSI) and lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI) as electrolyte was studied, and their comparison with a conventional electrolyte, 1.0 M LiPF6 dissolved in ethylene carbonate and dimethyl carbonate 50:50 v/v. To carry out these studies, the LiNi0,5Mn1,5O4 cathode was synthesized, which was characterized by Raman spectroscopy, IR, X-ray diffraction, scanning electron microscopy, and X-ray energy dispersive. The ionic liquid and the conventional electrolyte were evaluated in a Li/LiNi0,5Mn1,5O4 half-cell to examine the effect on the electrochemical properties of the LiNi0,5Mn1,5O4 cathode. A coin-type lithium-ion battery was assembled with the prior mentioned cathode, IL as an electrolyte, and a lithium anode. After that, electrochemical characterization methods such as cyclic voltammetry, galvanostatic charge/discharge measurements, and electrochemical impedance spectroscopy were used to evaluate the performance of the battery. The Fd-3m phase of LiNi0,5Mn1,5O4 was obtained with a high degree of crystallinity, likewise, the compatibility of the ionic liquid with LiNi0,5Mn1,5O4 was confirmed since the formation of the CEI layer was observed.