Sintesi di un nuovo elettrolita per batterie a stato solido a base di litio metallico

Le batterie agli ioni di litio commerciali raggiungono oggi densità energetiche gravimetriche dell’ordine di 150–250 Wh kg⁻¹. Questo valore è limitato anche dall’anodo di grafite, la cui capacità specifica teorica è pari a 372 mAh g⁻¹. La sostituzione della grafite con litio metallico, caratterizzato da una capacità teorica di 3860 mAh g⁻¹ e dal più basso potenziale di riduzione tra i materiali anodici, rappresenta una delle strategie più dirette per aumentare la densità energetica delle celle. A questo si aggiunge un problema di sicurezza: gli elettroliti liquidi organici impiegati sono volatili e infiammabili. Queste criticità motivano lo sviluppo di elettroliti solidi, non infiammabili e potenzialmente in grado, grazie alle loro proprietà meccaniche, di contrastare la crescita di dendriti, cioè protrusioni filamentose di litio che possono attraversare l’elettrolita e cortocircuitare la cella. Gli elettroliti solidi possono essere ricondotti a due principali famiglie. Gli elettroliti inorganici o ceramici offrono spesso conducibilità ioniche elevate, ma presentano una notevole rigidità. Questa caratteristica rende difficile ottenere il contatto continuo e uniforme che un elettrolita liquido realizza spontaneamente. Gli elettroliti polimerici solidi sono stati sviluppati anche per superare queste limitazioni di contatto e processabilità. Un limite ulteriore, non descrivibile dalla sola conducibilità ionica totale, riguarda il numero di trasporto del litio. In un elettrolita dual-ion migrano sia il catione Li⁺ sia l’anione; tuttavia, ai processi elettrodici partecipa solo Li⁺. Una possibile risposta è rappresentata dagli elettroliti single-ion, nei quali l’anione è legato covalentemente alla catena polimerica e quindi immobilizzato. In questo modo la mobilità ionica è attribuita quasi esclusivamente a Li⁺ e la deposizione di litio risulta più uniforme e stabile. Un approccio complementare è quello degli elettroliti polimerici compositi, nei quali la matrice polimerica incorpora filler inorganici, come la silice. Il filler può incrementare sia la concentrazione di litio sia il numero di trasporto del litio svolgendo più funzioni: ridurre la cristallinità ostacolando l’impacchettamento delle catene, favorire la dissociazione attraverso interazioni acido-base di Lewis con gli anioni e aumentare la rigidità meccanica del materiale. In questo lavoro di tesi, a seguito di uno studio e di un’ottimizzazione delle condizioni del processo sintetico su un composto modello e del monomero e del polimero, la strategia proposta consiste nel caratterizzare le prestazioni elettrochimiche del polimero e, in seguito, di ottimizzarle proponendo la fabbricazione di un elettrolita polimerico composito. La quale supera la semplice miscelazione fisica tra particelle e polimero facendo crescere, mediante approccio grafting-from, le catene polimeriche direttamente dalla superficie funzionalizzata di particelle di silice opportunamente sintetizzate. La corona polimerica così ottenuta è essa stessa ionicamente conduttiva e la particella può agire contemporaneamente da filler rinforzante e da componente attiva nel trasporto di Li⁺. In particolare, la SI-ATRP (surface initiated atom transfer radical polymerization) permette infatti di preparare brush polimerici con controllo su spessore, densità di grafting e architettura delle catene. Parametri che sono fondamentali per regolare il compromesso tra conduzione ionica, stabilità meccanica e dispersione del filler.