Ottimizzazione di formulazione e processo per miscele di binder a base acquosa nell'ambito dello sviluppo di batterie litio-ione di nuova generazione = Formulation and process optimization for water-based binder mixtures in the development of next-gen lithium-ion batteries

Nel corso degli ultimi anni, a livello globale, si è posta sempre maggiore attenzione a problematiche legate al progressivo cambiamento climatico del pianeta ed al consumo di risorse energetiche naturali non rinnovabili. Per contrastare il cambiamento climatico, molti paesi hanno avviato politiche volte ad una profonda rivoluzione ecologica, nel tentativo di ridurre l’impatto ambientale attribuibile alle principali attività umane. In questo scenario, le batterie agli ioni di litio si sono affermate come una delle tecnologie più promettenti sia per lo stoccaggio di energia rinnovabile, sia per l’elettrificazione del settore dei trasporti. Sebbene queste abbiano raggiunto buoni livelli di efficienza e sicurezza, l’uso di elementi critici, come cobalto, solleva alcuni problemi relativi al costo e all'impatto ambientale. Per affrontare queste sfide, si stanno esplorando alternative più sostenibili. Tra queste, l’ossido di litio-nichel-manganese (LNMO) si distingue per alto potenziale (4,9 V), buona capacità (147 mAh g⁻¹) e costi contenuti. Un ulteriore limite riguarda i processi produttivi degli elettrodi, che impiegano solventi organici tossici come N-metil-2-pirrolidone (NMP) per disperdere il polivinilidenfluoruro (PVDF), attualmente il legante polimerico maggiormente impiegato a livello industriale. L’uso di leganti acquosi, in sostituzione alla coppia PVDF/NMP, risulta vantaggiosa sia dal punto di vista economico sia dal punto di vista ambientale. Tuttavia, nel processo sono richiesti leganti compatibili con il materiale attivo, in grado di garantire buona adesione, stabilità meccanica e prestazioni elettrochimiche comparabili, senza comprometterne l’efficienza. Questo lavoro di tesi è stato incentrato sullo sviluppo di elettrodi LNMO impiegando tre diversi leganti solubili in acqua: alginato di sodio, gomma di guar e acido poliacrilico litiato. Nella prima fase di attività sperimentale, sono stati caratterizzati chimico-fisicamente ed elettrochimicamente gli elettrodi contenenti ciascun singolo legante. Successivamente, attraverso un approccio basato sul Design of Experiment (DoE), sono state investigate diverse combinazioni dei leganti al fine di individuare la composizione ottimale. I risultati hanno evidenziato che una miscela composta al 90% da acido poliacrilico litiato e al 10% da gomma di guar conferisce le migliori prestazioni elettrochimiche, unendo stabilità, buona conservazione della capacità e adeguate proprietà in fase di lavorazione, anche in assenza del processo di calandratura. Questi risultati suggeriscono che, con una progressiva ottimizzazione, la manifattura di catodi LNMO attraverso processi a base acquosa potrà trovare più largo impiego, anche a livello industriale, portando ad una transizione verso processi di produzione più efficienti e sostenibili.