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MATERIALES GRAFÍTICOS PREPARADOS A PARTIR DE INQUEMADOS
DE CENIZAS VOLANTES: APLICACIÓN COMO ÁNODOS EN BATERÍAS
DE IÓN-LITIO
Ignacio Caméan, Ana Beatriz García
Instituto Nacional del Carbón, CSIC. Francisco Pintado Fe, 26, 33011-Oviedo. España
Palabras claves: A. Baterías ión-litio B. Inquemados de cenizas volantes. C. Grafito
1. Introducción
Las baterías de ión litio son los sistemas de almacenamiento de energía de la mayoría de
los aparatos electrónicos portátiles (teléfonos móviles, ordenadores portátiles, etc.).
Estas baterías utilizan óxidos metálicos que contienen litio como material catódico y
una sal de litio en un disolvente orgánico como electrolito. En cuanto al ánodo, se
emplean materiales de carbono, mayoritariamente grafito [1]. En este trabajo se estudia
el comportamiento electroquímico como ánodo en baterías de ión litio de materiales
grafíticos preparados a partir de concentrados inquemados (CIQ) de cenizas volantes
(CV) mediante tratamiento térmico a temperaturas elevadas.
2. Experimental
Los CIQ se han obtenido a partir de las CV generadas en dos plantas de combustión de
carbón pulverizado, A y B, que utilizan antracitas. El concentrado de inquemados de A
(A/CVP) se ha preparado por separación, mediante tamizado, de la fracción ≥ 80 μm. El
procedimiento utilizado para obtener los CIQ de la planta B (B/CIQ1, B/CIQ5)
conlleva, además de la separación de la fracción ≥ 80 μm, la aglomeración de dicha
fracción con un aceite vegetal usado a concentraciones de 1 % y 5 % en peso [2]. Los
CIQ fueron grafitizados, en flujo de Ar, en un horno eléctrico en el intervalo de
temperaturas de 1800-2800 ºC durante 1 h. La caracterización electroquímica se ha
llevado a cabo en un potenciostato/galvanostato. Los electrodos de trabajo se prepararon
por esprayado: 92 mg de material se mezclan con 8 mg de polifluoruro de vinilideno, y
a esta mezcla, se le añaden ~ 20 gotas de 1-metil-2-pirrolidona dando lugar a una
suspensión. Mediante un aerógrafo, se deposita una fina capa de la suspensión sobre una
placa de Cu y se seca a 120 ºC a vacío. El montaje de la pila (modelo Swagelok de dos
electrodos) se lleva a cabo en una caja seca. En el interior de la pila se colocan el
electrodo preparado, un filtro de fibra de vidrio impregnado de electrolito (1 M de LiPF6
en EC:DEC 1:1 en peso) y el electrodo contador (pastilla de litio). Para el estudio de los
parámetros electroquímicos se utilizó la técnica galvanostática, sometiendo las pilas a
ciclos de descarga/carga sucesivos entre 2,1 y 0,003 V, hasta completar un total de 50.
3. Resultados y discusión
En la Figura 1 se han representado las capacidades de descarga frente al número de
ciclos de los materiales A/CVP/1800, A/CVP/2700, B/CIQ1/2800, B/CIQ5/2000 y
B/CIQ5/2600, y un grafito sintético de referencia, GS, que se comercializa como
material anódico para baterías de ión litio. Todos los materiales preparados muestran
excelentes ciclabilidades con retenciones de la capacidad  90 % a lo largo del ciclado.
Por ejemplo, la capacidades reversibles (Crev) del material B/CIQ1/2800 en los ciclos nº
2 y 50 son ~ 244 mAg-1 y ~ 233 mAg-1, respectivamente. Además, las Crev de algunos
de los materiales, en concreto las correspondientes a A/CVP/2700 y B/CIQ5/2600 con
DXHG
FHGFGH
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un elevado grado de ordenamiento estructural, están muy cercanas al valor determinado
para el grafito comercial de referencia GS (~ 315 mAg-1 frente a ~ 330 mAg-1). Tal
como era de esperar, la Crev de los materiales tiende a disminuir con el grado de orden
estructural, [3] o lo que es comparable, con la temperatura a la cual fueron preparados.
Así, el valor de este parámetro cae hasta ~ 100 mAg-1 cuando se sustituye A/CVP/2700
por A/CVP/1800 como material anódico.
500
A/CVP/2700
B/CIQ5/2600
B/CIQ1/2800
400
A/CVP/1800
B/CIQ5/2000
GS
300
200
100
0
Cap. irreversible (%)
Cap. descarga (mAhg-1)
Las capacidades irreversibles Cirr en el 1er ciclo de los materiales y el grafito GS se dan
en la Figura 2. Los valores de Cirr tienden a disminuir al aumentar la temperatura a la
cual ha sido preparado el material y/o grado de orden estructural; de modo que
A/CVP/2800 muestra la menor pérdida de carga (~ 22 %), ligeramente por encima del
grafito GS (~ 15 %). Esta pérdida de capacidad que se produce en el 1er es un factor
importante a tener en cuenta en la selección de los materiales anódicos para las baterías
de ión litio.
60
B/CIQ5/2000
A/CVP/2700
B/CIQ1/2800
B/CIQ5/2600
A/CVP/2800
GS
50
40
30
20
10
0
10
20
30
40
50
nº ciclos
Las curvas de potencial a < 0,5 V frente a
la cantidad de litio intercalado, LixC6, en
el 1er ciclo de los materiales A/CVP/1800
y A/CVP/2700 y el grafito GS se
muestran en la Figura 3. En la curva del
materiala A/CVP/2700 se observan
varios plateaus que no aparecen en
A/CVP/1800 y que corresponden a las
diferentes etapas por las que transcurre la
intercalación del litio en las láminas
grafíticas.
Estos
plateaus
son
comparables tanto en voltaje como en
extensión a los correspondientes al
grafito comercial GS.
Figura 2. Capacidad irreversible
Potencial (V vs Li/Li+)
Figura 1. Cap. descarga vs nº ciclos
0.6
A/CVP/1800
A/CVP/2700
GS
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0.3
0.7
1.1
1.5
LixC6
Figura 3. Potencial < 0,5 V vs (LixC6)
4. Referencias
[1] B. Scrosati, Electrochimica Acta 2000; 45, 2461-2466.
[2] M. Cabielles, M.A. Montes-Morán, A.B. García. Energy & Fuels 2008; 22, 1239-1243.
[3] Ignacio Camean, Pedro Lavela, José L. Tirado, A.B. García. Fuel 2009; en prensa,
DOI:10.1016/j.fuel.2009.06.034
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FHGFGH
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