Caratterizzazione elettrochimica di materiali per elettrodi di batterie al potassio = Electrochemical characterization of potassium battery electrode materials

L’attuale epoca geologica può essere nominata come “Antropocene”. Si tratta di un’epoca in cui l’ambiente terrestre viene continuamente rimodellato dall’attività umana. Uno degli effetti più evidenti è l’anomalo riscaldamento globale a cui si assiste da 150 anni. Questo è stato causato dallo smodato uso di combustibili fossili e dalla conseguente emissione di milioni di tonnellate di anidride carbonica e altri gas serra. Per far fronte a questa problematica, occorre attuare progressivamente la decarbonizzazione, vale a dire passare dall’enorme utilizzo di combustibili fossili all’uso di fonti rinnovabili. Tuttavia, le fonti rinnovabili sono limitate dalla loro dipendenza dalle condizioni di clima e ambiente, rendendole di fatto discontinue. Per superare questo limite è fondamentale integrare adeguati sistemi di stoccaggio energetico; rendendo possibile in tal modo accumulare l’energia prodotta e renderla disponibile a seconda della necessità. Tra i sistemi di stoccaggio energetico uno dei più promettenti è rappresentato dalla tecnologia delle batterie agli ioni litio (LIB). Il litio è però un elemento non abbondante e non omogeneamente distribuito sulla crosta terrestre. Il potassio è invece abbondante, uniformemente distribuito e possiede inoltre un potenziale redox vicino a quello del litio; queste caratteristiche rendono le batterie agli ioni potassio (KIB) promettenti alternative alle LIB. La tecnologia delle KIB necessita tuttavia ancora di molta ricerca per poter giungere alla commercializzazione. Uno dei passaggi chiave nello sviluppo delle KIB è trovare nuovi materiali per gli elettrodi che siano performanti, poco costosi e non impattanti a livello ambientale. In questo ambito si colloca il seguente lavoro di tesi, che ha come obiettivo quello di testare nuovi materiali come elettrodi per KIB. In particolare, sono stati analizzati catodi organici a base di antrachinoni e anodi inorganici a base di dendriti di stagno e nanoparticelle di diossido di stagno. Tutte le analisi elettrochimiche effettuate sono state condotte nelle configurazioni coin cell o EL-CELL aventi potassio metallico come anodo e 0.8 M KPF6 in EC:DEC come elettrolita. Sui catodi organici sono state effettuate voltammetrie cicliche e prove galvanostatiche; essendo state osservate capacità quasi nulle, si è imputato lo scarso successo alla assenza di materiale conduttore all’interno dell’elettrodo. Ulteriori analisi sono dunque necessarie. Gli anodi a base di dendriti di stagno metallico sono anch’essi stati testati tramite voltammetria ciclica e prove galvanostatiche. Dai risultati di quest’ultime prove si è visto che tale anodo riesce a fornire inizialmente una capacità modesta per poi annullarsi dopo pochi cicli. Al fine di comprendere le cause di questo crollo, sono state effettuate analisi morfologiche FE-SEM su campioni di anodo di stagno vergine e post-vita. Successivamente, anodi a base di diossido di stagno contenenti anche C45, come materiale conduttivo, e CMC, come binder, secondo la proporzione 70:25:5 sono stati investigati. Essi hanno mostrato buoni valori di capacità, e per questo motivo sono stati caratterizzati elettrochimicamente con voltammetrie cicliche, analisi di pseudo-aging, analisi di rate performance e prove GITT. Sono stati infine studiati, tramite prove galvanostatiche e voltammetrie cicliche, altri anodi a base di diossido di stagno ma con minori percentuali di C45 per comprendere il contributo che quest’ultimo dà come materia attiva.