Elettrofilatura di elettroliti polimerici a base di poliossietilene e lignina per batterie al litio allo stato solido più sicure e sostenibili = Electrospinning of polyethylene oxide and lignin-based polymer electrolytes for safer and more sustainable solid-state lithium batteries

Al giorno d’oggi, la transizione energetica verso l’impiego di fonti rinnovabili per limitare la dipendenza dai combustibili fossili ha messo in evidenza l’importanza di fornire energia in modo continuo grazie a sistemi di accumulo e rilascio. In questo scenario, è in continuo aumento lo sviluppo di batterie a ioni di litio (LIB) ad alte prestazioni, fondamentali per tutta l’elettronica portatile e per il rapido progresso del mercato dei veicoli elettrici. Tuttavia, vi sono ancora alcuni aspetti su cui si sta lavorando per ottenere batterie sempre più efficienti, durature e sicure. Uno dei componenti critici su cui si concentra gran parte della ricerca è l'elettrolita. Nella maggior parte delle batterie commerciali, si impiegano infatti elettroliti liquidi con solventi organici, che costituiscono un problema in termini di sicurezza perché volatili e infiammabili. Possibili alternative su cui si sta lavorando sono gli elettroliti allo stato solido, robusti e non infiammabili, che garantiscono elevata sicurezza anche a seguito di cortocircuiti interni alla batteria. Questo lavoro di tesi si è focalizzato sullo sviluppo di nuovi elettroliti polimerici solidi (SPE), ovvero membrane polimeriche in grado di condurre gli ioni di litio e di garantire migliori prestazioni e minori costi rispetto allo stato dell’arte, contribuendo così ad ottenere dispositivi energetici più sostenibili. A tal proposito, si sono preparati SPE a base di poliossietilene (PEO), materiale di riferimento per l’ottima capacità di dissolvere i sali di litio, e di lignina, un biopolimero molto abbondante in natura, ma attualmente non ancora largamente valorizzato, rappresentando principalmente un prodotto di scarto dell’industria cartaria. Le membrane sono state prodotte a partire da una soluzione di PEO e lignina, per sfruttare la conducibilità ionica del PEO e la resistenza strutturale della lignina, mediante elettrospinning, una tecnica molto versatile e scalabile, che permette di ottenere membrane a matrice fibrosa nanostrutturata, caratterizzata da alta porosità e superficie esposta. All’inizio, si è scelto di impiegare come solvente l’acqua, in modo da evitare solventi organici pericolosi o tossici. La formulazione della soluzione e i parametri di elettrospinning sono stati ottimizzati per migliorare la morfologia della membrana, che è poi stata caratterizzata morfologicamente tramite microscopia SEM e, successivamente, attivata per impregnazione con elettrolita liquido (LiPF6 1M in EC:DC) e testata in batteria con elettrodi di Li metallico e LiFePO4. Tuttavia, oltre al problema di perdita di consistenza della membrana a contatto con l’elettrolita, i test elettrochimici hanno mostrato la presenza rilevante di acqua residua nel materiale, impedendo il corretto funzionamento del dispositivo. Per questo, l’acqua è stata sostituita come solvente nell’elettrospinning da una miscela di DMSO e acetone, comportando così una nuova ottimizzazione dell’intero processo. Le nuove membrane, pur continuando a presentare problemi di consistenza strutturale dopo impregnazione, quando sottoposte a test elettrochimici hanno dimostrato una buona stabilità a seguito di vari cicli di carica-scarica (efficienza del 95% intorno al 30° ciclo). In conclusione, si è dimostrato come sia possibile ottenere membrane elettrofilate a base di PEO e lignina, polimeri abbondanti, sostenibili e altamente compatibili fra loro, creando un’alternativa percorribile per la produzione di SPE per le batterie di nuova generazione, più convenienti e sicure.