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Tipo do documento: Dissertação
Título: Li3NbO4 - síntese, caracterização e aplicabilidade como eletrólito sólido para baterias recarregáveis
Título(s) alternativo(s): Li3NbO4 - synthesis, characterization and applicability as a solid electrolyte for rechargeable batteries
Autor: AZEVÊDO, Micael Rocha de 
Primeiro orientador: SANTOS, Clenilton Costa dos
Primeiro coorientador: PRADO, Rodolpho Mouta Monte
Primeiro membro da banca: TANAKA, Auro Atsushi
Segundo membro da banca: MOURA, João Victor Barbosa
Terceiro membro da banca: PRADO, Rodolpho Mouta Monte
Quarto membro da banca: SANTOS, Clenilton Costa dos
Resumo: As baterias de íon de lítio (LIBs) apresentam um amplo leque de aplicações devido as vantagens associadas às suas altas densidades de energia. Elas são atualmente utilizadas em eletrônicos portáteis, veículos elétricos (EVs), e no armazenamento de energias renováveis. Apesar das vantagens, elas enfrentam problemas relacionados à segurança devido a utilização de eletrólitos líquidos que são tóxicos e inflamáveis. Esses problemas podem ser solucionados com a substituição dos eletrólitos líquidos por eletrólitos sólidos (SEs) óxidos inorgânicos, que possuem alta estabilidade térmica e são comumente compatíveis com materiais catódicos de maior potencial. Neste trabalho, investigamos a viabilidade do Li3NbO4 como eletrólito sólido para LIBs, por este constituir a base para uma família importante de candidatos a cátodos com estrutura rocksalt para LIBs, mas ao mesmo tempo ter band gap superior a 3 eV, o que é uma propriedade atrativa para SEs. O fato de o material possuir nióbio em sua composição também nos chamou a atenção, uma vez que este é um metal abundante no Brasil, em comparação com outros países. O material foi sintetizado por reação de estado sólido e caracterizado por difração de raios X, espectroscopia Raman e espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS), sendo determinada sua condutividade para diferentes temperaturas. O material não sofre decomposição nem transições de fase ao longo do intervalo de temperaturas analisado (300- 1150K), confirmando a hipótese de que teria boa estabilidade térmica. Através das medidas de EIS, foram determinadas as condutividades e entalpias de ativação para diferentes temperaturas, sendo constatado que a ausência de subfases aumenta a condutividade em aproximadamente uma ordem de grandeza e diminui a entalpia de ativação em ~ 0,1 eV. Ainda assim, o Li3NbO4 apresentou baixa condutividade total à temperatura ambiente (σ < 5 × 10-13 S/cm) e alta entalpia de ativação total (Htot ≥ 0.88 eV) quando comparado aos SEs mais promissores. Com base no perfil dos plots de Nyquist percebemos que a condução observada para o Li3NbO4 é majoritariamente de origem eletrônica. Portanto, esse material não é viável para aplicação como SE na faixa de temperaturas investigada (T ≤ 673 K) no estado não modificado. Esse resultado não é surpreendente, visto que a maioria dos bons SEs possuem baixa condutividade iônica no estado original, sendo necessário realizar modificações para torná-lo um bom condutor iônico. Portanto, para aumentar a condutividade dessa fase ordenada, é proposta a substituição parcial do Nb por íons aliovalentes, a fim de promover a formação de portadores de carga (vacâncias ou interstícios). Resultados preliminares indicam que a fase desordenada, cuja formação observamos em medidas de XRD in-situ em temperaturas na faixa 900-1000 K, possui condutividade iônica mais alta, sendo, portanto, mais promissora. Investigações mais aprofundadas de ambas as abordagens (substituição parcial e desordem) serão feitas em breve.
Abstract: Lithium-ion batteries (LIBs) have a wide range of applications due to the advantages associated with their high energy densities. They are currently used in portable electronics, electric vehicles (EVs), and renewable energy storage. Despite advantages, they face safety-related problems due to the use of liquid electrolytes that are toxic and flammable. These problems can be solved by replacing liquid electrolytes with inorganic oxide solid electrolytes (SEs), which have high thermal stability and are usually compatible with higher potential cathodic materials. In this work, we investigated Li3NbO4’s feasibility of as a solid electrolyte for LIBs, as it constitutes the basis for an important family of cathode candidates with rocksalt structure for LIBs, but at the same time having a bandgap greater than 3 eV, which is attractive for SEs. The presence of niobium in the material is also attractive since this is an abundant metal in Brazil, compared to other countries. The material was synthesized by solid-state reaction and characterized by X-ray diffraction, Raman spectroscopy and electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and its conductivity was determined at different temperatures. The material does not undergo decomposition or phase transitions over the analyzed temperature range (300- 1150K), confirming the hypothesis that it would have good thermal stability. As for charge transport properties, although the absence of subphases increases conductivity by approximately one order of magnitude and decreases activation enthalpy by ~ 0,1 eV, o- Li3NbO4 still has low total conductivity at room temperature (σ < 5 × 10-13 S/cm) and high total activation enthalpy (Htot ≥ 0,88 eV) when compared to the most promising SEs. Based on Nyquist plot profiles, Li3NbO4’s conduction is primarily electronic. Therefore, this material is not viable for application as SE in the investigated temperature range (T ≤ 673 K) in the pristine state. This result is not surprising since most good SEs have low ionic conductivity in the pristine state, and modifications are required to make it a good ionic conductor. Therefore, to increase the conductivity of such ordered phase, partial replacement of Nb by aliovalent ions is proposed to promote the formation of charge carriers (vacancies or interstitials). Preliminary results indicate that the disordered phase, whose formation we observed in in-situ XRD measurements at temperatures in the range 900-1000 K, has higher ionic conductivity and is, therefore, more promising. Further investigations of both approaches (partial replacement and disorder) will be carried out soon.
Palavras-chave: Li3NbO4;
Baterias de íon de lítio;
Eletrólito sólido.
Li3NbO4;
Lithium-ion batteries;
Solid electrolyte.
Área(s) do CNPq: Física
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade Federal do Maranhão
Sigla da instituição: UFMA
Departamento: DEPARTAMENTO DE FÍSICA/CCET
Programa: PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA/CCET
Citação: AZEVÊDO, Micael Rocha de. Li3NbO4 - síntese, caracterização e aplicabilidade como eletrólito sólido para baterias recarregáveis. 2022. 114 f. Dissertação (Programa de Pós-Graduação em Física/CCET) - Universidade Federal do Maranhão, São Luís.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: https://tedebc.ufma.br/jspui/handle/tede/tede/4427
Data de defesa: 24-Mar-2022
Aparece nas coleções:DISSERTAÇÃO DE MESTRADO - PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FISICA

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