Estudi de l'elèctrode positiu en bateries de níquel. Síntesi industrial, microestructura i rendiment electroquímic

Abstract

L'elèctrode d'oxihidròxid de níquel (NOE) s'ha emprat en dispositius d'emmagatzemament d'energia des de principis del segle XX i avui dia el seu domini d'aplicaci«o «es encara extremament extens, ja que comprèn des de les bateries per a aparells portàtils fins a les destinades a aplicacions aeronàutiques i espacials o el vehicle elèctric. Això no obstant, degut tant a la seva complexitat intrínseca com al fet que el seu desenvolupament ha estat fonamentalment basat en criteris empírics, encara no es té una total comprensió del seu mecanisme d'operació. <br/>Aquest treball es centra en l'estudi del NOE, tant des d'un punt de vista aplicat com fonamental, a fi d'optimitzar el procés de fabricació industrial de la matèria activa i comprendre millor les seves característiques microestructurals i la influència d'aquestes en el rendiment electroquímic. <br/>Primerament s'han estudiat individualment en una planta pilot les diferents etapes d'un procés de síntesi industrial real, comparant les característiques del producte final amb les d'altres matèries actives comercials. Els resultats obtinguts han permès de proposar modificacions en el procés industrial que resulten en una millora significativa del rendiment electroquímic de la matèria activa preparada. <br/>En segon lloc s'ha dut a terme una recerca de caire més fonamental amb l'objectiu de realitzar un estudi microestructural rigorós de diverses mostres de ß-Ni(OH)2, tant industrials com preparades al laboratori, i establir correlacions entre les característiques microestructurals i el rendiment electroquímic. Per a assolir-ho, s'ha desenvolupat el nou programa d'afinament de dades de difracció de pols FAULTS el qual, igualment com el mètode Rietveld, s'ha emprat per a l'estudi de les mostres. Finalment, en la darrera etapa d'aquest treball, s'ha estudiat la transformació ß-Ni(OH)2/ß-NiOOH i l'estructura de la fase oxidada mitjançant la difracció de pols i la microscòpia electrònica de transmissió.

El electrodo de oxohidróxido de níquel (NOE) se ha utilizado en dispositivos de almacenaje de energía desde principios del s.XX y actualmente su dominio de aplicación es todavía extremadamente vasto, abarcando desde las baterías para aparatos port«atiles hasta las destinadas a aplicaciones aeron«auticas y espaciales o el vehículo eléctrico. Sin embargo, debido tanto a su complejidad intrínseca como al hecho que su desarrollo ha estado basado fundamentalmente en criterios empíricos, hoy día todavía no se tiene una total comprensión de su mecanismo de operación. <br/>Este trabajo se centra en el estudio del NOE, tanto desde un punto de vista aplicado como fundamental, a fin de optimizar el proceso de fabricación industrial de la materia activa y comprender mejor sus características microestructurales y la infiuencia de éstas en el rendimiento electroquímico. <br/>En primer lugar, se han estudiado individualmente en una planta piloto las diferentes etapas de un proceso de síntesis industrial real, comparando las características del producto final con las de otras materias activas comerciales. Los resultados obtenidos han permitido proponer modificaciones en el proceso de síntesis industrial que dan como resultado una mejora significativa en el rendimiento electroquímico de la materia activa preparada. <br/>En segundo lugar se ha realizado una investigación de carácter más fundamental con el objetivo de realizar un estudio microestructural riguroso de distintas muestras de ß-Ni(OH)2, ya sean industriales como preparadas en el laboratorio, y establecer correlaciones entre las características microestructurales y el rendimiento electroquímico. Para ello se ha desarrollado el programa de refinamiento de datos de difracción de polvo FAULTS, el cual, junto con el método Rietveld, se ha utilizado para el estudio de las muestras. Finalmente, en la última etapa del presente trabajo se ha estudiado la transformación ß-Ni(OH)2/ß-NiOOH y la estructura de la fase oxidada mediante la difracción de polvo y la microscopia electrónica de transmisión.

The nickel oxyhydroxide electrode (NOE) has been used in energy storage devices since the beginning of the 20th century and nowadays covers a large number of applications ranging from batteries for portable devices to those used in aeronautic and space applications or electric vehicles. Nevertheless, due both to its intrinsic complexity and to the fact that its development has been mainly based in empirical criteria, its operational mechanism is still not fully understood. <br/>This work is focused in the study of the NOE from both an applied and fundamental point of view in order to optimise the industrial fabrication process of the active material and to achieve a better comprehension of the microstructural characteristics and their efiect in the electrochemical performance. <br/>First, the steps of a real industrial synthetic process have been studied individually, comparing the properties of the final product with those of other several commercial active materials. The results obtained have allowed the proposal of some modifications in the industrial process that may lead to an improvement of the electrochemical performances of the prepared active material. <br/>After that, a more fundamental research has been carried out to achieve a thorough microstructural characterisation of several ß-Ni(OH)2 samples, both industrial and laboratory prepared, in order to establish some correlations between the microstructural features and the electrochemical performances. This has been achieved developing a new difiraction data refinement program, FAULTS, that, in combination with the Rietveld method, has been applied to the study of the samples. Finally, in the last step of this work, the transformation ß-Ni(OH)2/ß-NiOOH and the structure of the oxidised phase have been studied with both powder difiraction and transmission electron microscopy.