Studio e sviluppo di elettroliti polimerici ecosostenibili per batterie al litio a stato solido = Study and development of environmentally sustainable polymer electrolytes for solid state lithium batteries

La crescente richiesta di accumulo di grandi quantità di energia ha indirizzato la ricerca verso lo sviluppo di sistemi ad alta efficienza energetica. Al contempo, la necessità di ridurre l’impiego di materiali di origine fossile ha spinto verso soluzioni a basso impatto ambientale. Attualmente, grande attenzione è rivolta allo sviluppo di batterie al litio e post litio, con numerosi studi e sforzi di ricerca orientati a migliorarne l’efficienza e la sostenibilità. La sostenibilità ambientale delle batterie è influenzata in modo significativo dalla natura dell’elettrolita il quale rappresenta un elemento chiave in termini di sicurezza, impatto ambientale e possibilità di utilizzo di materiali rinnovabili. Inserendosi in questo contesto, il presente studio è incentrato sullo sviluppo e la caratterizzazione di formulazioni di elettroliti a stato solido che combinino le necessità ecologiche con le prestazioni della batteria. Nello specifico è stato sviluppato e caratterizzato un sistema che prevede l’impiego di un copolimero a due blocchi di polietilene ossido (PEO), noto industrialmente per le sue prestazioni in campo elettrochimico, e acido polilattico (PLA), polimero di origine naturale, biodegradabile e in grado di migliorare la stabilità ciclica dei sistemi elettrochimici contribuendo al miglioramento della sostenibilità ambientale complessiva. Il PLA è stato impiegato sia nella sua forma enantiomerica PDLA e PLLA, sia come stereocomplesso derivante dalla loro combinazione. Tutte queste combinazioni polimeriche sono state impiegate in una formulazione solvent-free con sale di litio (LiTFSI, 30% in peso), per garantire un’elevata conducibilità, e PEO ad alto peso molecolare (35% in peso), utilizzato per garantirne la lavorabilità, al fine di ottenere elettroliti polimerici solidi (SPE) sotto forma di membrane self-standing. È stata quindi indagata l’influenza della tipologia di PLA impiegata sulle prestazioni elettrochimiche degli elettroliti. Inoltre, gli elettroliti preparati sono stati sottoposti a un processo migliorativo post-sintesi: una fotoreticolazione mediante raggi UV in presenza di fotoiniziatore. E’ stata valutata, infine, la scalabilità della formulazione mediante estrusione a secco con estrusore da banco, studiando l’effetto del processo sulle proprietà finali del materiale. Gli elettroliti polimerici solidi così ottenuti sono stati caratterizzati tramite test elettrochimici a 70 °C di plating e stripping, ciclazione galvanostatica (GC), voltammetria lineare (LSV) e ciclica (CV), cronoamperometria (CA), conducibilità e impedenza elettrochimica (EIS). Le membrane sono state inoltre sottoposte a caratterizzazioni termiche tramite Differential Scanning Calorimetry (DSC) e Thermogravimetric Analysis (TGA) e a caratterizzazioni chimico-fisiche mediante Nuclear Magnetic Resonance (NMR), Gel Permeation Chromatography (GPC), Attenuated Total Reflectance (ATR) e Diffrattometria a Raggi-X (XRD). È stato infine condotto un test di ciclazione a temperatura ambiente sfruttando l’impiego di un trasportatore ionico incluso nella formulazione estrusa tramite swelling. In conclusione, è stato quindi possibile dimostrare che l'integrazione del PLA e del suo stereocomplesso non solo contribuisce all’adozione di materiali sostenibili, ma porta anche a un miglioramento delle prestazioni elettrochimiche dei sistemi, permettendo la preparazione di sistemi elettrochimici interamente allo stato solido con elevata stabilità elettrochimica a lungo termine.