An exploratory study of anodes for potassium batteries

Il riscaldamento globale è concausato da una società basata principalmente su fonti fossili. Al fine di attuare una transizione ecologica vanno privilegiate le fonti rinnovabili. D'altro canto, il carattere intermittente di queste, richiede l'accoppiamento con sistemi di accumulo per un'integrazione efficiente nella rete. A tal proposito, la tecnologia più utilizzata è quella delle batterie, nello specifico, le batterie agli ioni litio. Se da una parte questo mostra ottime caratteristiche in termini di densità gravimetrica e volumetrica di energia, dall'altra ha come svantaggio la scarsità sulla crosta terrestre e la non uniforme distribuzione. Entrambi questi fattori rappresentano un problema e per l'approviggionamento e per i costi della materia prima. Bisogna quindi cercare un'alternativa al litio. Il potassio, in questo contesto presenta molteplici vantaggi: la coppia K+/K ha un potenziale redox di 2.93 V vs. SHE, molto simile a quello del litio. In aggiunta il raggio di Stokes è inferiore sia a quello del litio che a quello del sodio, garantendo elevata mobilità nel solvente. Per finire, il potassio è più abbondante ed ha un costo nettamente inferiore al litio. La ricerca in questione, ha quindi lo scopo di indagare diversi sistemi materiale attivo (anodo)-elettrolita e valutarne le performance ed i meccanismi coinvolti nel funzionamento. I materiali utilizzati sono 4: grafite, disolfuro di molibdeno e due carboni conduttivi conosciuti con i nomi commerciali di SuperP e C45. Per quanto riguarda gli elettroliti, sono stati utilizzati i sistemi KPF6 0.8 M in EC:DEC e KFSI 0.8M in DME. I sistemi testati sono 7 in tutto. Gli elettrodi sono stati preparati per poi essere assemblati in glovebox nelle configurazioni di celle a T e coin. Le prestazioni elettrochimiche sono state valutate con cicli di carica-scarica, voltammetria ciclica ed analisi EIS. I migliori risultati ottenuti nel test di carica-scarica sono per il C45, SuperP e MoS2 con KPF6. La capacità specifica e la relativa CE sono rispettivamente: 141 mAh/g, CE del 98,9%; 110 mAh/g, CE del 98,7%, 90 mAh/g CE del 99,8% (valori registrati al 200° ciclo). I test di invecchiamento mostrano che SuperP in KPF6 è il migliore con una capacità di 125 mAh/g al 500° ciclo a 0,1 A/g ed una CE del 99,67%. Inoltre, sono state effettuate analisi EIS e CV per chiarire i meccanismi coinvolti durante la fase di formazione (cioè la formazione dello strato SEI). Questo lavoro conferma l'importanza dell'elettrolita e della struttura (nano-micro, ordinata-disordinata) nelle prestazioni e nel meccanismo operativo delle batterie al potassio.