Aplicaciones de alambres cuánticos semiconductores en baterías2

INSTITUTO POLITECNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICANICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD CULHUACAN

APLICACIONES DE ALAMBRES CUÁNTICOS SEMICONDUCTORES EN

BATERÍAS

P R E S E N T A

JORGE ARTURO TOKUNAGA PÉREZ

ASESORES:

Dr. ELIEL CARVAJAL QUIROZ

Dr. MIGUEL CRUZ IRISSON

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CONTENIDO

Introducción

Objetivos

Justificación

Baterías

Funcionamiento

Mejoras

Tipos

Nanoalambres

Silicio

Germanio

Resultados

CASTEP

Ge Cristalino

Jorge Arturo Tokunaga Pérez

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OBJETIVOS Hacer una revisión acerca los procesos de síntesis y

caracterización de las nanoestructuras

Comprender el funcionamiento de las diversas técnicas con las que se está trabajando para realizar modelos y simulaciones.

Obtener resultados, de manera teórica, para algunos nanoalambres.

Calcular las propiedades electrónicas de nanoalambres de Germanio pasivados con Hidrógeno


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JUSTIFICACIÓN Mejorar el desempeño de los dispositivos

Reducción de dimensiones Incremento en el número de aplicaciones Mayor velocidad de procesamiento

Incrementar el número de circuitos no debe implicar mayor tamaño ni perder la portabilidad

Desarrollar nuevas baterías Mayor eficiencia Ciclos de vida mayores Más ligeras Reducir el costo de producción Menor impacto ambiental


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BATERÍAS

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FUNCIONAMIENTO DE UNA BATERÍA


Ánodo En una pila es el

terminal negativo, pues por definición el ánodo es el polo donde ocurre la reacción de oxidación.

Cátodo Se denomina cátodo al

electrodo positivo de una batería hacia el cual se puede trasportar electrones.

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ASPECTOS SUSCEPTIBLES A MEJORAS EN LAS BATERÍAS Disminuir el volumen Incrementar la densidad energética por

unidad de masa Aumentar la vida útil Utilizar materiales más económicos Disminuir el peligro de explosión por sobre

carga o por calentamiento extremo Impactar en menor medida al medio

ambiente


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TIPOS DE BATERÍAS


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COMPARACIÓN ENTRE BATERÍAS

Níquel-Cadmio

Hidruros metálicos y Níquel

Selladas de ácido-plomo

Iones de LiCobalto

Iones de LiManganeso

Iones de LiFosfato

Densidad de Energía 45-80 60-120 30-50 150-190 100-135 90-120

Ciclo de vida (a 80% de su capacidad inicial)

1500 300 a 500 200 a 300 300 a 500 Mejor que300 a 500

>1000 en condiciones

de laboratorio

Tolerancia de Sobrecarga Moderada Baja Alta Baja

Auto-descarga por mes transcurrido

20% 30% 5% <10%

Seguridad

Térmica-mente

estable, se recomiend

a usar fusible

Térmica-mente

estable, se recomienda usar fusible

Térmica-mente estable

Recomienda circuito de protección

estable hasta los 150°C





Toxicidad

Altamente tóxico y

peligroso para el

ambiente

Relativa-mente

tóxico, debe ser reciclado

Alta-mente

tóxico y peligroso

para el ambiente

Baja toxicidad, en pequeñas cantidades


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Las baterías recargables actualmente son un mercado económicamente muy activo, con ventas mundiales. $36 mil millones en el 2008. Se estima que para el 2013,

la cifra alcance los $51 mil millones.

La aceptación de las baterías de Iones de Litio, aumenta un 20% cada año.

ENFOQUES PARA MEJORAR LAS BATERÍAS DE IONES DE LITIO

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Una gran densidad energética

Rápida recarga

Baja tasa de autodescarga (<10% mensual)

Ciclo de vida prolongado

VENTAJAS DE LAS BATERÍAS DE IONES DE LITIO


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Hay muchas combinaciones posibles en el desarrollo de Baterías de Iones de Litio. Estas se obtienen modificando el ánodo, cátodo o la sustancia electrolítica, las distintas combinaciones se reflejan en el desempeño de las baterías, por ejemplo, (voltaje, densidad energética, ciclos de vida, etc.)

DESARROLLO DE BATERÍAS DE IONES DE LITIO

• Grafito• Óxidos• Silicio• Nanotubos• Nanoalambres

Ánodo

• Carbonatos• Electrolitos sólidos• Líquidos iónicos

Electrolito

• Óxidos metálicos• Fosfato de Hierro• Diversos óxidos

Cátodo



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Los Nanomateriales pueden tener propiedades únicas debidas al confinamiento cuántico.

PROPIEDADES DE LOS NANOMATERIALES

101 m10 m

100 m1 m

10-1 m10 cm

10-2 m1 cm

10-3 m1 mm

10-4 m100 μm

10-5 m10 μm

10-6 m1 μm

10-7 m100 nm

10-8 m10 nm

10-9 m1 nm

10-10 m1 Å

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Mejor contacto con el colector

Mayor área superficial para permitir la absorción del Litio más efectivamente

Mayor aprovechamiento del material

Con nanomateriales, se ofrece la oportunidad de crear una batería que tenga una alta energía y una densidad energética muy grande.

VENTAJAS DE INTRODUCIR LO NANO EN LAS BATERÍAS


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NANOALAMBRES

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Es una nanoestructura con diámetro en el orden de un nanómetro.

En estas escalas, los efectos de la mecánica cuántica son muy importantes.

Los nanoalambres podrían ser utilizados para la construcción de circuitos electrónicos más eficientes.

NANOALAMBRES


Yang P., Yan R., Fardy M., Nano Lett., 10 (5), 1529-1536 (2010).

Núm

ero

de p

ublic

acio

nes

por

año

Año

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NANOALAMBRES

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SILICIO

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El Silicio es un material atractivo para la construcción de ánodos para baterías de iones de Li porque tiene un bajo potencial de descarga y tiene la más alta capacidad de carga teórica conocida (4,200 mAh/g).

Esto es diez veces más grande que los ánodos existentes de grafito y mucho mayor que varios materiales compuestos por nitruros de diversos óxidos

Los ánodos de Si tienen aplicaciones limitadas debido a que el volumen del Si se incrementa en un 400% después de la inserción del Li, esto se convierte en un problema ya que se pulveriza el material.

BATERÍAS DE IONES DE LITIO DE ALTO RENDIMIENTO UTILIZANDO ÁNODOS DE NANOALAMBRES DE SILICIO


Chan C., et al. Nature Nanotech., 3, 31(2008).


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Antes de Pasivar Después de Pasivar

BATERÍAS DE IONES DE LITIO DE ALTO RENDIMIENTO UTILIZANDO ÁNODOS DE NANOALAMBRES DE SILICIO

Imágenes SEM

Chan C., et al. Nature Nanotech., 3, 31(2008).

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GERMANIO


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a) Electrodo de una batería tradicional

Mal transporte electrónico

Desperdicio de material

b) Electrodo diseñado con nanoalambres de Ge

Buen transporte electrónico

Mayor aprovechamiento del material

No necesita aditivos

BATERÍAS DE IONES DE LITIO DE ALTA CAPACIDAD UTILIZANDO NANOALAMBRES DE GERMANIO

Chan C., et al. Nano Lett., 8(307), 1(2008).

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Muchos materiales metálicos y semiconductores como Si, Sn, Al, y Bi son conocidos por que permiten trabajar con grandes cantidades de Li; sin embargo, han tenido aplicaciones bastante limitadas debido a su gran aumento en volumen durante la inserción del Li

El Li-Ge (Ge completamente saturado de Li) tiene una capacidad de carga relativamente alta (1600 mAh/g) y un aumento de volumen de sólo el 370%.

La difusividad del Li en el Ge es 400 veces más alta que en el Si, por lo cual, se cree que podría ser un buen material para ser usado en electrodos para ánodos de gran energía.





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Antes de Pasivar Después de Pasivar



Imágenes SEM

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CÁLCULOS

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TEORÍA DE LAS FUNCIONALES DE LA DENSIDAD (DFT) Para poder solucionar la ecuación de Schrödinger en un

problema de múltiples cuerpos, se utilizan métodos de aproximación

DFT fue propuesta por Walter Kohn La propuesta de DFT es utilizar a la densidad

electrónica del sistema en lugar de una función de onda compleja.


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CASTEP Software basado en la Teoría de Las Funcionales de la

Densidad (DFT) Utiliza ondas planas

Creado originalmente por M. C. Payne y otros académicos de Cambridge

Puede calcular: Información sobre la energía total de un sistema Fuerzas y esfuerzos Realiza la optimización geométrica Estructura de Bandas Propiedades ópticas Entre otras…


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PASOS PARA LOS CÁLCULOS

1. Encontrar un modelo que reproduzca los parámetros experimentales del Ge cristalino

Se hicieron cálculos con diferentes combinaciones de parámetros en CASTEP

Se compararon los resultados y se definió la metodología

2. Aplicar el método a nanoalambres de Ge

3. Aplicar el método para nanoalambres de Ge pasivando la superficie con H

La finalidad es observar los efectos que tiene un elemento en la superficie.


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PARÁMETROS DEL GERMANIO CRISTALINO

Reproducir los datos experimentales del Germanio cristalino Tipo y tamaño de brecha Brecha indirecta (0.744 eV)


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Ultra-suave no reproduce el tipo de brecha y Conservar de la Norma sí.

GGA-RPBE es valor más cercano a la brecha prohibida experimental (0.744 eV)

Funcional Pseudopotencial Brecha Prohibida (eV)

LDA/CA-PZ Ultra-Suave 0.3387

GGA/PBE Ultra-Suave 0.0007

GGA/RPBE Ultra-Suave 0.0008

GGA/PW91 Ultra-Suave 0.0006

LDA/CA-PZ Conservador de la Norma 0.3557

GGA/PBE Conservador de la Norma 0.5494

GGA/RPBE Conservador de la Norma 0.6528

GGA/PW91 Conservador de la Norma 0.5660

OPTIMIZACIÓN GEOMÉTRICA Es el estado de mínima energía

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OPTIMIZACIÓN GEOMÉTRICA Es el estado de mínima energía

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NANOALAMBRES DE GERMANIO


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NANOALAMBRES DE GERMANIO PASIVADOS CON H


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BANDAS ENERGÉTICAS PARA LOS NANOALAMBRES


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Nanoalambres Dimensiones (Å) Brecha (eV)

Sin pasivar

Ge 4.093 0.000

Ge 4.981 0.000

Ge 5.657 0.000

Pasivados

H-Ge 3.893 3.951

H-Ge 4.297 3.399

H-Ge 5.762 3.221

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3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.03.0

3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

3.7

3.8

3.9

4.0

Bre

cha (eV

)

Dimensiones (Å)

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Jing, M., et al., J. Phys. Chem. B, 110(37), 18332 (2006).

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CONCLUSIONES El explotar todo lo que el campo de lo nano ofrece, se verá

reflejado en un mayor número de opciones con que el ingeniero pueda dar solución a distintos problemas.

El mejoramiento de las baterías, es necesario pues la exigencia energética aumenta día con día.

Al mejorar cualquier dispositivo, una de las principales preocupaciones del fabricante es que al mejorar las características de su producto, no sacrifique su portabilidad (volumen), es por esto que se propone el uso de Ge.

Los resultados obtenidos, al ser comparados con resultados teóricos y experimentales, validaron el modelo propuesto en esta tesis.


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CONCLUSIONES Se encontró que independientemente del número de

átomos que hay en las aristas de la sección transversal, se pierde el carácter semiconductor; es decir, no hay brecha de energía prohibida.

Cuando la superficie de los nanoalambres es pasivada con H se observó que se recupera el carácter semiconductor y que conforme se incrementan las dimensiones, la magnitud de la brecha tiende al valor de la del Germanio cristalino.

Se espera que al modelar nanoalambres de Ge pasivados superficialmente por Li, los efectos repulsivos Coulombianos en la superficie, sean muy parecidos a los presentados con H.


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GRACIAS POR SU

ATENCIÓN

Jorg

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rez

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