Analisi ed ottimizzazione di elettrodi LNMO con additivi polimerici in combinazione di CMC per batterie litio-ione di nuova generazione. = Analysis and optimization of LNMO electrodes with polymer additives in combination with CMC for next generation lithium-ion batteries.

Nel corso degli ultimi anni sta assumendo grande rilevanza il tema della transizione energetica con il fine di ridurre i livelli di CO2 emessi in atmosfera. La chiave consiste nell’integrare completamente altre fonti energetiche primarie rinnovabili come già avviene per alcune tecnologie, tra cui il solare fotovoltaico, l’eolico o l’idroelettrico. Quest’ultimi sistemi sono tuttavia soggetti ad intermittenza, non del tutto compatibili con la società attuale che si basa su sistemi elettrici di potenza continui. In tale contesto operano i sistemi di stoccaggio, in particolare gli accumulatori elettrochimici, i quali immagazzinano energia e la cedono quando necessario, come i dispositivi elettronici portatili, i veicoli elettrici o i grandi pacchi di batterie di supporto alla rete elettrica. L’Europa è promulgatrice di alcuni provvedimenti come il Grean Deal, il quale fornisce un ingente supporto allo sviluppo di batterie agli ioni di litio (LIBs) innovative e performanti, soprattutto in ambito automotive. Le LIBs sono state commercializzate alla fine degli anni Novanta e presentano un livello tecnologico molto importante, con elevate densità energetiche e lunghe durate: esse però sono inserite in un mercato in rapida espansione, la cui continua domanda può non essere completamente soddisfatta dalla disponibilità di materie prime ed a causa di considerazioni di impatto ambientale. E' in questo ambito che si inserisce il presente lavoro di tesi, coerente con le attuali linee di ricerca, approfondendo l’utilizzo di un materiale catodico come l’ossido di litio nickel manganese (LNMO) per la produzione di celle elettrochimiche ad alta energia, non tossiche e sostenibili. Infatti, il LNMO è in grado di lavorare a potenziali elevati (fino a 4.9 V) ed è privo di cobalto, elemento critico in quanto raro e caratterizzato da costi di estrazione alti, oltre a essere oggetto di indagini su lavoro minorile e diritti umani negati. Il secondo accento è posto sul solvente adoperato, tralasciando l’utilizzo di solventi organici e tossici come il N-metil-2-pirrolidone (NMP) e passando invece ad uno acquoso. Tali accorgimenti hanno lo scopo di aumentare il tempo di vita medio di una cella, con una conseguente diminuzione dei costi di produzione sostenuti. In tale contesto sono stati studiati tre additivi polimerici commerciali - JSR SX8684(A)-64, TRD202A e TRD104A – in combinazione con carbossimetilcellulosa (CMC) per la preparazione di catodi a base LNMO in ambiente acquoso. Lo studio ha riguardato l’ottimizzazione del processo di miscelazione delle polveri e di fabbricazione degli elettrodi. Gli elettrodi prodotti sono stati caratterizzati con due configurazioni di celle principali: semicella a due elettrodi e cella a tre elettrodi. I risultati ottenuti hanno mostrato una buona stabilità in fase di ciclazione a diversi regimi di corrente applicata, conservando capacità di scarica significative a 1C in seguito all’implementazione di due accorgimenti: l’inserimento di uno strato di carbonio tra collettore di corrente e catodo ed il passaggio da una pressatura idraulica degli elettrodi alla calandratura delle stese. In particolare, una minore perdita di capacità è stata osservata per due additivi (SX8684A-64 e TRD202A), mostrando la compatibilità con LNMO. Questa tesi mostra quindi la concretezza dell’attuale attività della comunità scientifica volta a rendere più sostenibile la produzione di componenti per LIB, e si colloca bene nello scenario emergente in cui avranno vita le gigafactory in Europa.