Studio e ottimizzazione di binder acquosi per la produzione di elettrodi per celle Litio-ione di nuova generazione = Study and optimization of aqueous binders to produce electrodes for next-generation lithium-ion cells

La rivoluzione tecnologica degli ultimi secoli è stata sostenuta dalla reazione di combustione, rendendo i combustibili fossili come il petrolio, il carbone e il gas naturale i principali protagonisti dell'era industriale. La crescente consapevolezza dei rischi ambientali, come il cambiamento climatico e l'aumento della temperatura globale causati dalle emissioni di gas serra come il CO2, prodotte dal consumo intensivo di risorse non rinnovabili, ha portato vari paesi a intraprendere una transizione generale verso la produzione di energia pulita. L'Accordo di Parigi del 2015 promuove quindi l'uso di fonti di energia rinnovabile come quella solare ed eolica, nonché il trasporto a zero emissioni. Le batterie agli ioni di litio si inseriscono perfettamente in questo contesto, essendo versatili a seconda dell'applicazione finale. Possono immagazzinare energia ottenuta da fonti intermittenti o alimentare dispositivi portatili come telefoni cellulari, tablet e computer, fino ad arrivare al funzionamento di veicoli elettrici. Nonostante il loro grande successo, questa tecnologia ha sollevato preoccupazioni riguardo alla fornitura di materiali critici, come il cobalto, e all'uso di sostanze tossiche e ad alto impatto nella produzione degli elettrodi, soprattutto considerando che il mercato delle LIB è in rapida crescita. Questa tesi si concentra sulla selezione di leganti non tossici ed ecologici solubili in acqua, che mantengono l'integrità strutturale e migliorano le proprietà dell'elettrodo. Questi leganti hanno il potenziale vantaggio di sostituire il legante attualmente più utilizzato a livello commerciale, il fluoruro di polivinilidene (PVdF), generalmente usato in combinazione con un solvente organico, N-metil-2-pirrolidone (NMP), noto per essere tossico e teratogeno. Sono stati prodotti vari leganti (alginato di sodio, gomma adragante, carbossimetilcellulosa di sodio e carragenina), caratterizzati dalla stessa concentrazione fissata al 4% in peso, mantenendo fissi i parametri operativi per garantire la replicabilità ed eseguendo misure di pH e reologiche. Queste ultime misurazioni sono necessarie per scartare a priori i leganti con valori che non rientrano in intervalli adeguati, potenzialmente causando incompatibilità con il materiale attivo o incapacità di miscelazione e stesa sul collettore di corrente. La selezione del legante acquoso più adatto è stata effettuata studiando le caratteristiche elettrochimiche della sua combinazione con un composto di silicio/grafite come materiale attivo, che rappresenta la nuova generazione di materiali anodici, e con il carbon black come elemento conduttivo. Gli anodi sono stati inseriti all’interno di celle a due elettrodi in configurazione semi-cella di tipo coin-cell e in celle a tre elettrodi. Le celle sono state sottoposte a varie tecniche di analisi elettrochimica. La tesi si è concentrata sull'ottimizzazione e il mantenimento dei parametri di miscelazione e produzione degli elettrodi, dei protocolli di ciclazione e tecniche di analisi per consentire un confronto sistematico tra varie repliche di celle. Infine, è stato valutato il possibile uso combinato di uno dei binder selezionati con l'acido poliacrilico litiato (LiPAA) all'interno dello stesso elettrodo in diverse percentuali in peso, mantenendo costante la percentuale di peso totale relativa al legante (3% in peso). Utilizzando un modello predittivo di design of experiment si è ottimizzata, in base ai dati forniti, la percentuale in peso del binder e del LiPAA più performante.