Sviluppo e caratterizzazione di elettroliti polimerici solidi a base di polietilenossido e policarbonato per batterie al litio = Development and characterization of solid polymer electrolytes based on polyethylene oxide and polycarbonate for lithium batteries

Negli ultimi decenni, l’interesse sempre maggiore delle grandi istituzioni nel controllo delle emissioni di gas serra ha alimentato una crescente domanda di energia elettrica da fonti rinnovabili e di dispositivi capaci di immagazzinarla in modo efficiente. Come conseguenza, si sta assistendo ad un'accelerazione nello sviluppo di materiali, tecnologie e processi innovativi nel settore delle batterie ricaricabili. Tra le soluzioni attuali, le batterie agli ioni di litio sono le più diffuse, grazie alla loro elevata efficienza e densità energetica; tuttavia l’uso di solventi organici nell’elettrolita le rende particolarmente infiammabili e rischiose per l’ambiente. La comunità scientifica si sta orientando verso lo sviluppo di elettroliti solidi, considerati significativamente più sicuri e sostenibili. Tuttavia, le soluzioni attuali non raggiungono prestazioni comparabili a quelle dei sistemi liquidi, rendendo necessari ulteriori sforzi per raggiungere questo ambizioso traguardo. Questo lavoro di tesi sperimentale si pone l'obiettivo di sviluppare, caratterizzare e testare alcune miscele polimeriche innovative per la realizzazione di elettroliti solidi destinati all’impiego in batterie al litio allo stato solido. Si è deciso di studiare una nuova formulazione preparata partendo da una miscela polimerica di polietilene ossido (PEO) e polibutilene carbonato (PBC), con l'aggiunta di un sale di litio (LiTFSI), valutando anche l’effetto di un processo di reticolazione sul materiale. Le formulazioni prodotte sono state caratterizzate sia dal punto di vista termico che elettrochimico, con il fine ultimo di simulare il funzionamento in celle elettrochimiche su scala da laboratorio mediante cicli di scarica/scarica a corrente costante. Le analisi termiche hanno evidenziato che l'aggiunta di PBC ha ridotto sensibilmente il grado di cristallinità della miscela polimerica, mentre il processo di reticolazione ha permesso la completa amorfizzazione dei film polimerici. La conducibilità ionica del campione a temperatura ambiente si è rilevata essere circa un ordine di grandezza inferiore rispetto a quella ottenuta per un elettrolita polimerico a base di solo PEO e sale di litio. Per questo motivo, si è optato per effettuare la successiva caratterizzazione elettrochimica a 70 °C per massimizzare le prestazioni in cella elettrochimica. Dai test è emersa un'ampia finestra di stabilità elettrochimica della miscela polimerica (> 4.4 V vs Li+/Li), supportata anche da buone capacità di trasporto e deposizione del litio nel tempo, che sono inoltre migliorate sensibilmente con la reticolazione UV. Le formulazioni prodotte hanno mostrato ottime prestazioni per un gran numero di cicli durante i test galvanostatici: in particolare, la formulazione reticolata ha fornito una buona capacità specifica (117 mAh g−1) a regimi di corrente di 0.2C, prestazione decisamente superiore alla formulazione tal quale (86 mAh g−1). Ulteriori test condotti con un catodo commerciale hanno portato ad un ulteriore miglioramento della capacità specifica (140 mAh g−1) con cicli di carica/scarica stabili a 0.05C. Nel complesso, dalla caratterizzazione di queste formulazioni è emerso che le miscele di PEO e PBC, in particolare quelle ottenute tramite l’impiego della fotoreticolazione, rappresentano una nuova classe di elettroliti polimerici solidi molto promettente per lo sviluppo di batterie al litio allo stato solido più sicure ed efficienti.