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http://cicese.repositorioinstitucional.mx/jspui/handle/1007/4313| Diseño y caracterización de electrodos a base de silicio para el almacenamiento de iones de litio Design and Characterization of Silicon-Based Electrodes for Lithium-Ion Storage | |
| José Norberto Jacobo Eaton | |
| JASSIEL ROLANDO RODRIGUEZ BARRERAS Daniel Sauceda Carvajal | |
| Acceso Abierto | |
| Atribución | |
| Si/Gr@C, microesferas, ánodo, almacenamiento de litio, interfaz Si/Gr@C, microspheres, anode, lithium storage, interface | |
| El presente trabajo de tesis se enfocó en el desarrollo y evaluación de un material compuesto del tipo Si/Gr@C como una alternativa sostenible y eficiente para el almacenamiento de iones de litio. Cinco muestras fueron preparadas con una concentración fija de 10% en peso de Si y variando la concentración en peso de grafeno (Gr) y carbono (C) derivado de polipropileno (PP) desde 90 al 30%. Estas se sintetizaron mediante un procedimiento de tres pasos: (i) dispersión de silicio y grafeno, (ii) incorporación del polipropileno y (iii) pirólisis. La caracterización fisicoquímica de las muestras confirmó la formación de un material compuesto por nanopartículas de Si soportadas en Gr y recubiertas por C derivado del reciclaje de PP. La MEB mostró la formación de microesferas de carbono de hasta 2 µm cuya forma se pierde conforme incrementa la concentración de grafeno de acuerdo con el análisis de elemental. Asimismo, la cristalinidad del carbono y grado de grafitización de las muestras Si/Gr@C cambia con el aumento de la concentración de grafeno. La evaluación electroquímica de las muestras reveló la presencia de procesos redox bien definidos donde la corriente generada tiene una contribución Faradaica alta que disminuye inversamente Proporcional a la cantidad de grafeno. La muestra Si10/Gr30@C60 exhibió el valor más alto capacidad específica de 560 mAh/g a una densidad de corriente de 100 mA/g después de 100 ciclos de carga y descarga, con una retención de capacidad del 50%. Mientras que la muestra Si10Gr45@C45 presentó la mejor respuesta a diferentes densidades de corriente desde 25 hasta 400 mA/g. las muestras presentaron resistencias a la transferencia de carga moderadas <100 Ω y coeficientes de difusión de iones de litio de 6.2 × 10−8 cm²/s a 2.9 × 10−18 cm²/s. Los cálculos teóricos demostraron que el mecanismo de almacenamiento de litio de las muestras Si/Gr@C no actúa como una simple combinación de materiales independientes, sino como una estructura interconectada en la que existe una clara interacción entre el silicio y los materiales de carbono donde los iones de litio tienden a estabilizarse inicialmente en la interfaz entre ambos materiales. The present thesis focused on the development and evaluation of a composite material of the Si/Gr@C type as a sustainable and efficient alternative for lithium-ion storage. Five samples were prepared with a fixed silicon (Si) content of 10 wt%, varying the graphene (Gr) and polypropylene derived carbon (C) content from 90 to 30 wt%. These were synthesized through a three-step process: (i) dispersion of silicon and graphene, (ii) incorporation of polypropylene (PP), and (iii) pyrolysis. The physicochemical characterization of the samples confirmed the formation of a composite material consisting of Si nanoparticles supported on Gr and coated with carbon derived from recycled PP. SEM images showed the formation of carbon microspheres up to 2 µm, whose shape was lost as the graphene concentration increased, according to elemental analysis. Likewise, the carbon crystallinity and degree of graphitization of the Si/Gr@C samples changed with increasing graphene content. Electrochemical evaluation revealed well-defined redox processes, where the generated current exhibited a high Faradaic contribution that decreased inversely with the amount of graphene. The Si10/Gr30@C60 sample exhibited the highest specific capacity value of 560 mAh/g at a current density of 100 mA/g after 100 charge-discharge cycles, with a capacity retention of 50%. Meanwhile, the Si10/Gr45@C45 sample showed the best response at various current densities ranging from 25 to 400 mA/g. The samples exhibited moderate charge transfer resistances <100 Ω and lithium-ion diffusion coefficients ranging from 6.2 × 10⁻⁸ cm²/s to 2.9 × 10⁻¹⁸ cm²/s. Theoretical calculations demonstrated that the lithium storage mechanism of the Si/Gr@C samples does not behave as a simple combination of independent materials, but rather as an interconnected structure in which there is a clear interaction between silicon and the carbon materials, where lithium ions tend to initially stabilize at the interface between both materials. | |
| CICESE | |
| 2025 | |
| Tesis de maestría | |
| Español | |
| Jacobo Eaton, J.N. 2025. Diseño y caracterización de electrodos a base de silicio para el almacenamiento de iones de litio. Tesis de Maestría en Ciencias. Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Baja California. 60 pp. | |
| MICROELECTRÓNICA. DISEÑO | |
| Aparece en las colecciones: | Tesis - Electrónica y Telecomunicaciones |
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| tesis_José Norberto Jacobo Eaton_2025.pdf | Descripción completa de la tesis | 4.17 MB | Adobe PDF | Visualizar/Abrir |