Ottimizzazione di elettroliti gel polimerici per catodi di nuova generazione in batterie a base di litio = Optimization of polymer gel electrolytes for next-generation cathodes in lithium-based batteries

Negli ultimi anni, si è fatta sempre più impellente la necessità di poter accumulare energia, soprattutto proveniente da fonti rinnovabili e discontinue, come sono ad esempio l’energia solare e quella eolica. Per poter fare ciò, la ricerca si sta focalizzando sullo sviluppo di batterie secondarie, in particolare al litio, in grado di subire numerosi processi di carica, nei quali l’energia viene accumulata, e scarica, in cui viene rilasciata. In questo senso sono stati studiati materiali, sia all’anodo che al catodo, in grado di migliorarne l’efficienza. Per quanto riguarda i catodi, l’elevato potenziale di ossidazione (sopra i 4 V vs Li+/Li) della materia attiva utilizzata è una caratteristica desiderabile, in quanto se ne può trarre un beneficio quale è l’elevata densità di energia accumulata. Ciò si traduce, a parità di energia accumulata, in una diminuzione dello spazio occupato dalla batteria. Per l’anodo, invece, ha attirato interesse il litio metallico, che ha il minor potenziale di riduzione disponibile e un’elevatissima capacità specifica teorica. Questi elettrodi, tuttavia, non sono privi di criticità. All’elevato potenziale di ossidazione del materiale al catodo è sottoposto l’elettrolita, che spesso per questo motivo va incontro a una degradazione. Per quanto riguarda il litio metallico utilizzato all’anodo, se sulla sua superficie la riduzione da ioni Li+ a litio metallico avviene in maniera disomogenea, si possono formare delle dendriti che, crescendo, si allungano fino a fare contatto col catodo e provocano un cortocircuito della cella. Per superare i problemi appena descritti è pertanto necessario scegliere l’elettrolita più adeguato a partire dagli studi sulle sue caratteristiche elettrochimiche. Gli elettroliti composti da sali in soluzione con liquidi ionici presentano un’elevata finestra di stabilità elettrochimica (ESW) e una tensione di vapore trascurabile; tutti gli elettroliti solidi e quasi-solidi sono invece in grado di sopprimere la crescita delle dendriti sull’anodo, inoltre gli elettroliti polimerici, in particolare quelli gel, formano un’interfaccia con gli elettrodi migliore rispetto a quella degli elettroliti ceramici. In questa tesi è stato studiato un elettrolita polimerico gel (GPE), la cui fase solida è costituita da 80% wt butilmetacrilato (BMA) e 20% wt polietilenglicole diacrilato (PEGDA) polimerizzati assieme mediante fotoreticolazione, mentre la fase liquida è costituita da litio bistrifluorosulfonilimmide (LiTFSI) in 1-etil-3-metilimidazolio fluorosulfonilimmide (EMIMFSI) in rapporto 1:1 atomico. Il rapporto in peso utilizzato tra polimero ed elettrolita è di 1:4. Ne sono state caratterizzate le sue proprietà elettrochimiche, in particolare la sua finestra di stabilità, la conducibilità ionica, la stabilità interfacciale e anche la capacità di soppressione delle dendriti. Infine è stata valutata la compatibilità del GPE con catodi con elevato potenziale di ossidazione, quali sono LMNO e LMFP. Dapprima sono state effettuate voltammetrie cicliche (CV), in seguito sono state effettuate delle ciclazioni galvanostatiche sulle celle la cui CV ha avuto un esito soddisfacente.