Development of nanoparticulate forms of tin-based alloy materials for high energy density anodes in lithium-ion batteries

Abstract

Los compuestos intermetálicos de estaño y metales de la primera serie de transición han sido contemplados como posibles materiales anódicos para las baterías de ion litio, dado que pueden mejorar el rendimiento del estaño puro. Estos sólidos dispersados a escala nanométrica proporcionan un comportamiento particularmente interesante. Se han preparado nanopartículas basadas en compuestos de estaño y aleaciones mediante los métodos del poliol y sonoquímico. Así se obtuvieron nanopartículas de FeSn2 y disoluciones sólidas Fe1-xCoxSn2 (x = 0.25, 0.3, 0.5, 0.6 y 0.8) por el método de ¿one-pot¿; una reducción secuencial de sales de Fe y Sn usando NaBH4 como agente reductor a bajas temperaturas. Para las nanopartículas de CoSn2, se aplicó una combinación del método ¿one-pot¿ y sonoquímico. Además, se prepararon partículas microcristalinas de MSn2 a 500°C siguiendo el método cerámico para comparar el comportamiento de la muestra masiva. El FeSn2 nanocristalino y superparamagnético proporciona capacidades reversibles de unos 600 mAhg-1 por formación de fases LixSn y nanopartículas de hierro superparamagnéticas. Una comparación entre las propiedades de nano-FeSn2 y micro-FeSn2 muestra de manera concluyente un mejor comportamiento electroquímico y estabilidad del electrodo para el material nanocristalino. Para las disoluciones sólidas Fe1-xCoxSn2 con x = 0.25, 0.3, 0.5, 0.6 y 0.8, se obtuvieron partículas de diámetros de unos 20 nm y diferentes morfologías. La sustitución de hierro por cobalto induce una contracción del volumen de celda unidad y los parámetros hiperfinos de los espectros de Mössbauer de 57Fe revelan un comportamiento superparamegnético. Las composiciones intermedias exhiben mejor comportamiento electroquímico que las composiciones límites CoSn2 y FeSn2. Para mejorar el comportamiento de los intermetálicos FeSn2 y CoSn2, se usaron compositos en los que el material nanocristalino está embebido en una matriz amorfa basada en el polímero poliacrilonitrilo (PAN). El tamaño de particula muy pequeño y la matriz orgánica (PAN) contribuyen a estabilizar las fases intermetálicas durante el ciclado electroquímico.