Sintesi e caratterizzazione di una membrana gel polimerica bio - rinnovabile per la protezione degli anodi in litio metallico in batterie Litio - Aria = Synthesis and characterization of a biorenewable gel polymer membrane for the protection of lithium metal anodes in Lithium - Air batteries

La crescente necessità di produzione di energia pulita dovuta al surriscaldamento globale ha indirizzato la ricerca verso lo studio di tecnologie di stoccaggio di energia e di alimentazione dei veicoli elettrici sempre più pulite e performanti. Una delle tecnologie più promettenti attualmente in fase di studio è la batteria litio – aria, grazie alla sua elevata densità di energia teorica dell’ordine di 11’000 Wh kg-1. Questo valore è dovuto all’utilizzo di anodi in litio metallico ma, soprattutto, all’uso di catodi in carbonio poroso (GDL) dove, dall’esterno, fluisce il materiale attivo, l’ossigeno. L’uso degli anodi in litio metallico, però, consegue in un elevato numero di criticità che limitano la stabilità e la ciclabilità di queste batterie. Per questo motivo, in questo lavoro di tesi, sono state studiate due membrane gel polimeriche bio - rinnovabili per la protezione di quest’ultimo. Le membrane, a base chitosano, un polisaccaride ottenuto dalla reazione di deacetilazione della chitina, secondo biopolimero più presente in natura, hanno svolto questo compito egregiamente. In particolare, sono state studiate membrane con chitosano a basso peso molecolare (<100 kDa) e chitosano a medio peso molecolare (190 – 310 kDa) metacrilate, reticolate e sottoposte al processo di swelling in LiTFSI 0.5 M in DMSO. Entrambe le membrane hanno dimostrato ottimi valori di conducibilità ionica a temperatura ambiente dell’ordine di 2 x 10-3 S cm-1, ottima stabilità interfacciale a contatto con litio metallico, stabilità fino a potenziali maggiori di 4.5 V vs Li/Li+, stabilità per più di 500 ore nelle prove di lithium plating and stripping e, soprattutto, un lithium transference number di 0.88 per il chitosano e medio peso molecolare e 0.76 per il chitosano a basso peso molecolare, i quali, di fatto, rendono il chitosano metacrilato uno degli elettroliti gel polimerici più performanti sotto questo punto di vista. Infine, le membrane sono state poste all’interno della cella completa avente come anodo litio metallico, come catodo GDL in carbonio poroso e come elettrolita un sistema ibrido formato dalla membrana in chitosano per la protezione dell’anodo e separatore in fibra vetro impregnato di LiTFSI 0,5M in DMSO. Le celle con elettrolita ibrido hanno dimostrato di avere una capacità di scarica maggiore delle celle con il solo elettrolita liquido. Inoltre, hanno provato di avere un’ottima ciclabilità con un’efficienza coulombica tendente al 100% per più di 30 cicli mentre il riferimento liquido ha permesso di ciclare solo per 15 cicli. Questi risultati rendono le membrane biorinnovabili in chitosano un nuovo e promettente sistema di protezione degli anodi in litio per lo sviluppo di batterie litio – aria ad alta densità di energia.