Desarrollo de un cátodo basado en nanotubos de carbono recubiertos con pentóxido de vanadio para uso en baterías de litio
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2025
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Abstract
El desarrollo de cátodos nanoestructurados representa un área de investigación crucial para mejorar el rendimiento de las baterías de ionesde litio. Esta tesis explora el uso de nanotubos de carbono verticalmente alineados (VA-CNT) como plantilla para la fabricación de cátodos basados en pentóxido de vanadio (V₂O₅), un material que destaca por su alta capacidad teórica de intercalación de litio. Se desarrolló un método de síntesis basado en la oxidación controlada de vanadio metálico depositado sobre VA-CNT crecidos directamente sobre electrodos de acero inoxidable. Se encontraron condiciones que permiten simultáneamente la oxidación del vanadio a V₂O₅ y la preservación de la matriz de VA-CNT. El nanomaterial híbrido VA-CNT/V₂O₅ exhibe una morfología tipo nanoesponja sobre la superficie del electrodo y presenta una notable respuesta electroquímica, alcanzando una capacidad específica de descarga reversible de 90 mAh/g a 0.5C, lo que representa un incremento de casi un 300% respecto a los 30 mAh/g desarrollados por el cátodo de V₂O₅ sin VA-CNT, en las mismas condiciones. Esta mejora se atribuye al transporte electrónico facilitado por la red de nanotubos y a las distancias reducidas de difusión iónica en la estructura nanoestructurada. La caracterización exhaustiva del material mediante microscopía electrónica de barrido (SEM), espectroscopía de dispersión de energía (EDX), espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) y espectroscopía Raman permitió comprender en detalle su morfología, composición y estructura. Complementariamente, se realizaron cálculos basados en la teoría del funcional de densidad (DFT) para analizar los Imodos vibracionales del V₂O₅, modelar la interfaz CNT-V₂O₅, estudiar la oxidación de los CNT por V₂O₅ y calcular potenciales de intercalación de litio. Estos últimos resultados teóricos sugieren la formación de sitios favorables para la intercalación de litio en el modelo de la interfaz, lo que podría contribuir a la capacidad de almacenamiento de carga del sistema. La integración de resultados experimentales y teóricos proporciona una comprensión integral del sistema VA-CNT/V₂O₅ como material catódico, validando esta estrategia para la fabricación de cátodos nanoestructurados mediante la oxidación controlada de precursores metálicos.
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Tesis (Doctor en Física)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2025