Study of Na-M-(O,F) phases: synthesis, crystal chemistry and electrochemical performance in sodium – based batteries

Abstract

En la presente Tesis se describe el estudio de fases en los sistemas Na- M-(O, F) con (M = Ti, V, Mn y Mo), incluyendo la preparación, en condiciones suaves, la caracterización cristaloquímica y el ensayo electroquímico en baterías de sodio. Los resultados más significativos obtenidos para M = Mn comprenden la síntesis en medio acuoso de los fluoruros Na2MnF5 y NaMnF3, y del nuevo oxifluoruro NaMnMoO3F3 · H2O, que presenta una estructura laminar con parámetros de celda a = 3.5947(1), b = 21.246(1) y c = 7.3893 (2) y grupo espacial Cmcm (No.63). En el caso de M = V, la síntesis por vía solvotermal en diferentes condiciones permitió la preparación de diversas fases tales como la ya conocida NaVF4 o la nueva criolita Na3-δVOF5 (a = 5,54034 (2) Å, b = 5,68041 (2) Å, c = 7,95229 (3) Å, β = 90.032 (7) y grupo espacial P21/n (nº14)). También se preparó a 100 ºC la quiolita Na5-δV3F14-δ (a= 10,5482 (2) Å, b= 10.4887 (1) Å y c= 10.3243 (1) Å, y grupo espacial Cmc21 (N° 36)) en un medio de reacción con concentraciones de más altas, la cual fue caracterizada mediante difracción de neutrones y radiación sincrotrón. En el caso de M= Ti, se preparó el oxifluoruro Na5Ti3O3F11 mediante síntesis asistida por microondas. Su estructura cristalina es también de tipo quiolita con grupo espacial Cmca (n° 64) y parámetros de celda a= 10,496(2) Å, b= 10,398(1) Å y c= 10,291(1) Å. El rendimiento electroquímico de dichos fluoruros y oxifluoruros resultó ser limitado, presumiblemente debido al carácter altamente aislante de los fluoruros y al hecho de que los potenciales redox, se encuentran fuera de la ventana de la estabilidad de los electrolitos convencionales, lo cual pudo confirmarse en algunos casos específicos mediante cálculos DFT. Finalmente, se llevó a cabo un estudio adicional dirigido a determinar los factores que afectan el comportamiento electroquímico y más concretamente la retención de la capacidad del Na2Ti3O7. Éste incluyó medidas in situ y ensayos de envejecimiento en contacto con el electrolito. Las conclusiones preliminares parecen indicar que la pérdida de la capacidad no está relaciona principalmente con la degradación estructural del compuesto sino con su reactividad con el electrolito.

This thesis reports on the preparation, using mostly mild synthetic routes, crystal chemical characterization and electrochemical testing in sodium based batteries of Na- M-(O,F) phases ( M= Ti, V, Mn and Mo). The most significant results achieved for M=Mn concern the synthesis in aqueous medium of Na2MnF5, NaMnF3 and the novel oxyfluoride NaMnMoO3F3·H2O which exhibits a layered structure with a = 3.5947(1), b = 21.246(1), and c = 7.3893(2) Å cell parameters and Cmcm (No.63) space group. In the case of M=V, solvothermal methods allowed to prepare different phases such as the already known NaVF4 or the new cryolite Na3-δVOF5 (a= 5.54034(2) Å, b= 5.68041(2) Å, c= 7.95229(3) Å cell parameters, β= 90.032(7)º and space group P21/n (nº14)) by modifying the synthesis conditions. The chiolite Na5-δV3F14-δ (a= 10.5482(2) Å, b= 10.4887(1) Å and c= 10.3243(1) Å and Cmc21 (nº 36) space group) was also prepared at 100 ºC but using higher HF concentration, and was characterized by means of neutron and SXRPD data. For M=Ti, an oxyfluoride with chiolite related structure with space group Cmca (nº 64) and cell parameters a= 10.496(2) Å, b= 10.398(1) Å and c= 10.291(1) Å. Na5Ti3O3F11 was prepared by a microwave assisted method. The electrochemical performance of all such fluoride and oxyfluoride phases was found to be poor if any, which is presumably related to the high insulating character of fluorides and to a redox operation potential outside the stability window of conventional electrolytes, as deduced in some specific cases from DFT calculations. Finally, additional research was carried out to get some insight on the factors affecting the capacity retention of Na2Ti3O7 upon electrochemical cycling, and which included both in situ experiments and ageing tests. Preliminar conclusions seem to indicate that capacity fading is mostly related to reactivity with the electrolyte and not related to structural degradation.