Tesis Magíster
Estudio computacional a nivel DFT de la descomposición del cátodo de una batería aprótica de Li-O2
DFT-level computational study of cathode decomposition of an aprotic Li-O2 battery
Autor
Salgado-Casanova, Adolfo José Aníbal
Institución
Resumen
El carbono ha sido ampliamente utilizado como material base de los cátodos porosos de las baterías de Li−O2, que tienen, en teoría, entre todas las baterías recargables la más alta energía gravimétrica. Sin embargo, la estabilidad de la matriz carbonosa del cátodo y el efecto que tienen los compuestos litiados (productos de la descarga de la batería) sobre la descomposición de éste son un fenómeno complejo de estudiar. A nivel fundamental, poco se sabe de las reacciones y procesos que ocurren en el cátodo. Para poder estudiar las reacciones intrínsecas que dominan los fenómenos observados, es posible utilizar una poderosa herramienta fundada en la química cuántica, la química computacional. Aquí, se resumen los resultados de los cálculos computacionales en relación a la estabilidad de especies oxigenadas comunes sobre la superficie de carbono (complejos C-O), en la presencia y ausencia de: Li, LiO- (fenolato), Li2O2 (peróxido) y Li2CO3 (carbonato) – compuestos LixCyOz –, esto como medio para dilucidar mecanismos de reacción alternativos que eviten la descomposición del cátodo de carbono (es decir, evolución de CO o CO2) Los modelos moleculares utilizados para representar la superficie (re)activa del carbono corresponden a los bordes de modelos prototípicos de láminas de grafeno. Además, el modelo químico B3LYP/6-31G(d) incluido en el programa Gaussian 03, y basado en la teoría de los funcionales de densidad (DFT), fue utilizado como metodología debido a que este muestra un compromiso razonable entre precisión química y tiempo computacional. El concepto de la estabilidad de los complejos C-O fue analizado de la siguiente forma: (i) Considerando el aumento de densidad electrónica en la superficie de carbono (cátodo) durante el proceso de descarga de la batería, se optimizó la geometría de los diferentes complejos C-O sometiéndolos a un aumento de carga eléctrica. Se comparó energía relativa y se calculó el parámetro HOMA (Modelo de Oscilador Harmónico de la Aromaticidad) como referencia de la estabilidad de cada sistema molecular. (ii) Fue explorada la superficie de energía potencial (PES) buscando las barreras energéticas que permiten liberar CO o CO2 mediante la fragmentación de los complejos C-O. Además se exploró la PES para poder determinar mecanismos de activación de los sitios saturados con hidrógeno (bordes saturados). Del análisis se encontró que los complejos C-O son, en general, estables cuando son sometidos a cargas negativas, con la excepción de los grupos epóxido e hidróxido. Si el primero está en el plano basal, este tiende a “erguirse” sobre la superficie como una especie radical debido a la repulsión electrostática generada por la sobrecarga de la superficie de grafeno; esto previene el rompimiento de enlaces C-C del plano basal (por parte del epóxido) y por la tanto podría ser responsable de una reacción de reducción de oxígeno (O2 -> O2-) más eficiente. Por otro lado, el grupo hidroxilo (OH) se transforma en un grupo semiquinona (=O), debido al desplazamiento del H+ hacia el carbono saturado adyacente; este proceso de transferencia de hidrógeno es un aspecto esencial de la transición de hidroquinona a quinona y destaca la importancia que se debe dar a la redistribución de densidad electrónica de los carbonos saturados con hidrógeno de los alrededores o de los sitios activos tipo zigzag. El rol de los grupos litiados también fue elucidado. Primero, se determinó que una posible forma de activación del grafeno ocurre durante la simultanea formación del grupo fenolato (Ph O- Li+), a través del ataque nucleofílico del hidróxido de litio (Li+OH-) a un sitio saturado con hidrógeno que es adyacente a un grupo semiquinona. Segundo, a diferencia de un sitio activo tipo carbeno, la presencia de Li atómico del grupo fenolato ofrece mayor resistencia a la quimisorción de O2 debido a efectos electrónicos y estéricos. Por otro lado, el Li atómico cataliza la reconstrucción de la superficie de carbono mediante la inducción de oxígeno en esta, lo que incluye el proceso de rompimiento del enlace O-O del O2 adsorbido. Así para un sitio activo en la presencia del grupo fenolato, la selectividad de CO2/CO es invertida y la evolución de CO2 ocurre a través del mecanismo de “espín-prohibido” en ausencia o presencia de litio metálico. En general, los compuestos LixCyOz tienen un efecto catalítico en la descomposición del cátodo de carbono. Son capaces de activar la superficie de grafeno, lo que facilita la quimisorción de O2, incrementando la cobertura de oxígeno, y finalmente resultando en la desorción de CO o CO2. Carbon has been widely used as the basis of porous cathodes for nonaqueous Li−O2 batteries, which have the highest theoretical specific energy of any rechargeable battery. However, the stability of the carbon matrix and the effect of Li-discharge products (LixCyOz) on carbon decomposition are complex phenomena. At a fundamental level, little is known about the reactions and processes that take place at the cathode.
Here we report the results of density functional theory (DFT) calculations regarding the stability of common oxygen species on carbon surface (C-O complexes) in the presence and absence of Li, LiO (phenolate), Li2O2 (peroxide) and Li2CO3 (carbonate) - LixCyOz compounds-, as a means to elucidate alternative mechanistic pathways that avoid carbon cathode decomposition (i.e., CO/CO2 evolution.) The edges of prototypical graphene models were used to represent the carbon (re)active surface. The B3LYP/6-31G(d) option in Gaussian 03 was used as the chemistry model, because it strikes a reasonable compromise between chemical rigor and computational time. The concept of C-O complex stability was analyzed as follows. (i) Considering the electron density increment on the carbon surface during the discharging process, the C-O complexes were submitted to several negative electrical charges and the HOMA parameter was calculated as an aromaticity (stability) reference. (ii) The potential energy surface (PES) was explored, looking for: (a) energy barriers for release of CO/CO2; (b) activation of H-saturated sites; (c) the C-O complex fragmentation. It was found that the C-O complexes are generally stable under negative charge, with the exception of epoxide and hydroxyl groups. If the former is on the basal plane, it tends to ‘stand’ on the surface as a radical species due to electrostatic repulsion generated by the graphene surface overcharge; this prevents graphene unzipping and therefore could be responsible for a more efficient oxygen reduction reaction (ORR). The hydroxyl group is converted to a semiquinone group due to H jump toward the adjacent saturated carbon edge site; this hydrogen transfer process is an essential aspect of the hydroquinone/quinone transition and it highlights the important changes in electron density distribution surrounding H-saturated or carbene-type zigzag graphene edge sites. The role of the alkali was, also elucidated. Thus, surface activation and phenolate group formation can be achieved through nucleophilic attack by an alkali hydroxide at the H-saturated edge site adjacent to a semiquinone functionality. Moreover, unlike the carbene active site by itself, Li metal presence offers resistance to O2 chemisorption because of electronic and steric effects. On the other hand, it catalyzes oxygen-induced surface reconstruction which includes the cleavage process of adsorbed O2. For a single active site the CO2/CO selectivity is inverted in the presence of Li and CO2 evolution occurs through the “spin-forbidden” path either in the absence or presence of the alkali metal. In general, the LixCyOz compounds have a catalytic effect on the decomposition of carbon cathodes. They are capable of activating the graphene edge surface, which facilitates O2 chemisorption, increasing O-coverage, and finally resulting in desorption of either CO or CO2. PFCHA-Becas PFCHA-Becas