Lignin as a filler for efficient gel polymer electrolyte in potassium metal battery

Sfide dell'ingegneria dei materiali nel campo delle batterieTra i 17 obiettivi dell’Agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile, diversi comportano la necessità di attuare una transizione energetica in termini di ottimizzazione dei consumi e passaggio da fonti energetiche fossili a fonti rinnovabili. I sistemi di accumulo di energia sono l’unica soluzione attuabile per incrementare l’utilizzo di fonti rinnovabili, in quanto permettono di compensarne l’intrinseca intermittenza e sfruttare un’eventuale sovrapproduzione. Tra le varie tecnologie di accumulo energetico, quello elettrochimico risulta essere il più versatile; in particolare negli ultimi anni le batterie al litio hanno riscontrato grande successo. Tuttavia, non è possibile soddisfare il fabbisogno energetico usando unicamente i sistemi al litio data la criticità nell’approvvigionamento delle materie prime necessarie. Le batterie al potassio si prospettano una valida alternativa a quelle al litio nei settori dove non è richiesta un’elevata densità di energia gravimetrica. Questo lavoro di tesi si occupa della caratterizzazione di membrane gel polimeriche a base di PCLDMA, PEG e UPy-MA rinforzate con diverse percentuali di lignina (0, 3, 5, 7, 10 e 20% in peso riferito alla massa di PCLDMA). Lo swelling della matrice polimerica è stato effettuato in una soluzione 1 M di KFSI in EC/DEC 1:1. Dall’analisi termogravimetrica si è osservato che le membrane degradano a temperature maggiori di ≈ 250 °C. La calorimetria a scansione differenziale ha mostrato che all’aumentare del contenuto di lignina si ha un aumento della temperatura di transizione vetrosa e della fase amorfa all’interno del polimero, quest’ultimo evidenziato dalla diminuzione di entalpia di fusione. Attraverso la voltammetria a scansione lineare si è constatato che non si verifichino importanti reazioni tra membrana, elettrolita e potassio metallico in un intervallo di potenziale compreso tra 0.01 V e 3 V. La presenza di lignina all’interno della matrice polimerica ha mostrato un notevole aumento della conducibilità ionica, ma non vi è un trend specifico in funzione del contenuto di lignina. Le membrane hanno inoltre mostrato numeri di trasporto compresi tra 0.53 e 0.59; in particolare i valori più alti sono stati ottenuti per le membrane con minor contenuto di lignina. È stato in aggiunta effettuato il test di plating e stripping, dal quale è emerso che tutte le membrane dimostrano di sopprimere la crescita di dendriti per correnti pari a 0.1 mA/cm2; tuttavia per correnti maggiori, pari a 0.5 mA/cm2, non tutte le membrane hanno mostrato buona abilità ad inibire la nucleazione di dendriti. Sono state infine effettuate prove di ciclaggio galvanostatico su semi-celle con anodo in potassio metallico e catodo in C65. Queste hanno mostrato promettenti capacità specifiche di carica e scarica e una buona stabilità in funzione del numero di cicli; in particolare i migliori risultati sono stati ottenuti con la membrana contenente il 5% di lignina. Tale membrana è stata dunque sottoposta a una prova di self-healing che ha mostrato risultati positivi.