Elettroliti gel polimerici per batterie al potassio: sviluppo e caratterizzazione = Gel polymer electrolytes for potassium-based batteries: development and characterization

La lotta ai cambiamenti climatici e al riscaldamento globale è la più importante sfida che la nostra società deve affrontare nei prossimi anni. Se si vuole mantenere l’aumento medio delle temperature al di sotto di 2 °C, come deciso nell’Accordo di Parigi, occorre tagliare drasticamente le emissioni di gas serra. Per questi motivi, la riduzione nell’utilizzo delle fonti fossili è di vitale importanza. Le fonti rinnovabili rappresentano una possibile soluzione, ma sono intermittenti nel corso dei giorni e delle stagioni. L’energia prodotta da fonti rinnovabili deve essere immagazzinata in altre forme e usata quando necessario. Le batterie sono uno dei sistemi di immagazzinamento energetico più performanti, permettendo di conservare direttamente l’elettricità prodotta da impianti fotovoltaici ed eolici. Tuttavia, la tecnologia più affidabile è basata sul litio, elemento raro sulla crosta terrestre e distribuito non uniformemente sul pianeta. Il potassio è circa mille volte più abbondante e presenta un potenziale redox simile a quello del litio. Per questi motivi, le batterie agli ioni potassio (KIB) possono essere una valida alternativa a quelle a base litio. Lo sviluppo delle KIB si trova ancora ad uno stadio embrionale e ulteriori ricerche sono necessarie. Una questione aperta nel campo delle KIB è legata ai problemi di sicurezza di alcuni elettroliti liquidi comunemente utilizzati, che possono essere tossici e altamente infiammabili. Un altro obiettivo di questa tecnologia è la riduzione dei costi per permettere la creazione di sistemi di immagazzinamento energetico su larga scala. In quest’ottica, ampi sforzi sono necessari per sostituire i comuni elettroliti liquidi con la tecnologia a stato solido. Il lavoro di tesi si basa sullo studio di un elettrolita gel polimerico (GPE) per applicazioni nel campo delle KIB. In particolare, si è studiato lo sviluppo della corretta formulazione per produrre un’efficiente membrana conduttiva a partire da butilmetacrilato (BMA) e poli(etilenglicole diacrilato) (PEGDA) reticolati sotto lampada UV mediante polimerizzazione radicalica. La membrana è stata in seguito rigonfiata nell’elettrolita liquido (KPF6 0.8 M in etilen carbonato (EC):dietilen carbonato (DEC) 1:1) e usata come GPE tra un anodo di potassio metallico e un catodo a base di carbonio conduttivo Super P. Il comportamento elettrochimico è stato valutato con ciclazioni galvanostatiche, effettuate inizialmente con una bassa densità di corrente. Dopo queste prove preliminari, due differenti composizioni sono state scelte: 70 wt% di BMA, 20 wt% di PEGDA con due differenti plastificanti 10 wt% di EC o 10 wt% di elettrolita liquido. Le membrane sono state caratterizzate con analisi fisico-chimiche (diffrazione a raggi X, analisi termogravimetrica e calorimetria differenziale a scansione) e analisi elettrochimiche (voltammetrie cicliche, linear sweep voltammetry e spettrocopie di impedenza elettrochimica). Sono state infine testate sotto differenti C-rate per valutare le prestazioni in condizioni prossime a quelle operative. La capacità specifica del GPE con 10 wt% di EC dopo 200 cicli è di 128 mAh/g con una ritenzione di capacità del 68% e la capacità specifica del GPE con 10 wt% di elettrolita liquido dopo 200 cicli è di 121 mAh/g con una ritenzione di capacità del 81%. Entrambi gli elettroliti polimerici hanno raggiunto elevate conducibilità ioniche a temperatura ambiente, rispettivamente pari a 13 mS/cm e 14 mS/cm.