Nuovi elettroliti vetroceramici a conduzione ionica per batterie ricaricabili allo stato solido, sicure e ad alta energia = New single-ion conducting glass-ceramic electrolytes for safe, high-energy, solid-state secondary batteries

L’uso di sistemi di accumulo elettrochimico dell’energia quali le batterie a ioni di litio ha una sempre maggiore centralità. Grazie alla crescente spinta verso la mobilità elettrica e la produzione di elettricità su larga scala tramite l’impiego di fonti rinnovabili. Risulta sempre più necessario quindi sviluppare nuove tecnologie che siano più performanti e sicure. In quest’ottica, l’uso di elettroliti solidi vetroceramici caratterizzati da conducibilità ionica paragonabile ai liquidi a fronte di una maggiore sicurezza può portare a notevoli miglioramenti per le nuove generazioni di accumulatori. L’uso di questa tipologia di elettroliti favorisce anche un guadagno notevole in termini di densità di energia complessiva dei dispostivi grazie alla diminuzione del peso complessivo rispetto i sistemi commerciali. In quest’ottica, questo lavoro di tesi si è focalizzato sullo studio della nuova composizione LAMGP-B (Li1.5(Al0.3Mg0.1)Ge1.6(PO4)3 + B2O3 0.5%wt) con struttura tipo NaSICON. Rispetto al sistema commerciale LAGP l’aggiunta di ossido di boro B2O3 è ottimale per aumentare la coesione dei grani, mentre il magnesio ha come scopo quello di aumentare le vacanze e quindi la facilità di diffusione degli ioni di litio in struttura. Inoltre il magnesio, avendo un raggio ionico maggiore rispetto l’alluminio, allarga i canali di conduzione ottenendo una minore opposizione al movimento dello ione Li+. Dal punto di vista sperimentale, dopo aver ottenuto il materiale vetroso tramite colata, questo è stato caratterizzato termicamente e, in seguito al trattamento a 750°C per 12 ore, si sono svolte analisi XRD e SEM per valutarne la morfologia caratteristica e la presenza di fasi secondarie. Successivamente, sono state eseguite analisi di spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) e se n’è valutata la finestra di stabilità elettrochimica (ESW). Da queste analisi si è ricavato che il valore di conducibilità a 30°C è pari a 1∙10^-4 S/cm, mentre la stabilità risulta essere >3 V vs Li+/Li. Si sono altresì svolte analisi preliminari per valutare l’effetto di diversi tempi di macinazione sulla densificazione in vista di una futura preparazione tramite sinterizzazione ultraveloce ad alta temperatura (ultra-fast high-temperature sintering UHS). Il vetro è stato macinato per 2, 4 e 6 ore e successivamente i risultanti pellet sono stati caratterizzati termicamente ed elettrochimicamente. Inoltre, i pellet sono stati trattati sia a 700°C che a 750°C per aumentare la taglia dei grani di materiale attivo e, di conseguenza, ridurre i bordi di grano in modo da facilitarne la conduzione ionica. Con i pellet così ottenuti viene raggiunta una conducibilità ionica media di 4.05∙10^-5 S/cm a 30°C. Dalla caratterizzazione il sistema risulta essere un conduttore ionico puro e a conduzione di ione singolo con interessanti caratteristiche come elettrolita solido per sistemi di accumulo a ioni di litio a fase solida. Il fatto che non ci siano differenze sostanziali di conducibilità per pellet trattati a diverse temperature potrebbe essere indice che il fattore limitante alla conducibilità sia la presenza di porosità.