Studio e ottimizzazione di elettrodi ibridi LNMO/LFP per batterie litio-ione di nuova generazione = Study and optimization of LNMO / LFP hybrid electrodes for new generation lithium-ion batteries

In Europa si sta attuando una rapida transizione energetica che comporta l’utilizzo di tecnologie alternative come, ad esempio, i veicoli elettrici, i sistemi solari fotovoltaici, le turbine eoliche e le tecnologie all’idrogeno. Un fattore chiave per il raggiungimento degli obiettivi del Green Deal è lo sviluppo di batterie litio-ione che presentino una maggiore densità di energia e un minor impatto ambientale rispetto a quelle attuali, da impiegare soprattutto nel settore automotive. Nonostante il grande successo della batteria litio-ione, con un mercato in rapida espansione, questa tecnologia ha destato alcune preoccupazioni riguardo alla disponibilità a lungo termine di materie prime e sull’impatto ambientale che possono avere alcune sostanze impiegate nella produzione degli elettrodi. Per questa ragione, lo studio di materiali catodici innovativi a basso impatto ambientale è uno degli aspetti più importanti per lo sviluppo di celle ad alta energia, sostenibili, a basso costo e a bassa tossicità. Infatti, la presenza di elementi definiti “critici” nei materiali catodici tradizionali rappresenta un problema ed un limite alle future previsioni di crescita del settore. Il cobalto, ad esempio, oltre ad essere un elemento difficilmente reperibile, risulta costoso e dannoso per l’ambiente e gli esseri viventi. Per tali ragioni appare necessario lo studio e lo sviluppo di materiali alternativi, che prevedano un utilizzo quanto più possibile esiguo, senonché nullo, di cobalto. In tale contesto, il presente lavoro di tesi, svolto nell’ambito del progetto Horizon 2020 HYDRA (acronimo di “HYbriD power-energy electRodes for next generation lithium-ion bAtteries”), si pone l’obiettivo di studiare le caratteristiche elettrochimiche di catodi costituiti da ossido di litio nickel manganese (LNMO) puro e da una miscela fisica LNMO + LFP (litio ferro fosfato), in combinazione con un elettrolita che contiene diverse percentuali di additivi. In particolare, il lavoro di tesi si è basato sull’ottimizzazione dei parametri di miscelazione delle polveri e produzione degli elettrodi, seguita dallo studio delle prestazioni elettrochimiche dei materiali, mediante differenti tecniche di analisi (ciclazioni galvanostatiche) e mediante tre diverse configurazioni di cella: semi-cella, cella completa e celle a tre elettrodi. I risultati ottenuti dalle prove effettuate indicano come – in generale – la presenza di LFP garantisca una stabilità più alta ed una minore perdita di capacità ad alto numero di cicli e che una quantità di additivo nell’elettrolita pari al 5% in peso garantisca una stabilità maggiore delle prestazioni della cella. Da ultimo, è stato valutato anche l’effetto del processo di pressatura degli elettrodi e come questo influenzi, in maniera positiva, le prestazioni elettrochimiche dei materiali investigati.