Advanced Materials for High-Performance Secondary Li and Mg Batteries

Al fine di ottenere sistemi di accumulo di energia elettrica sempre più performanti, l'attività di ricerca qui descritta, è focalizzata sullo studio di elettroliti e materiali catodici per applicazioni in batterie al litio e magnesio. I materiali vengono sintetizzati attraverso sintesi in atmosfera inerte e caratterizzati con diverse tecniche quali: analisi termogravimetrica (TGA), calorimetria a scansione differenziale (DSC), spettroscopie vibrazionali (FT-MIR, FT-FIR, Raman), NMR di stato solido, diverse tecniche elettrochimiche (voltammetria ciclica, cronoamperometria, impedenza elettrochimica) e spettroscopia elettrica a banda larga. I risultati sono utilizzati per studiare l'interazione tra la struttura e il meccanismo di conduzione di questi materiali. I materiali più promettenti sono testati in batterie a bottone prototipo tipo CR2032 per valutare la loro ciclabilità e stabilità su lungo periodo. Come procedura generale, gli elettroliti vengono sintetizzati con differenti concentrazioni di portatori di carica tipo Mg2+ o Li+ per valutare l'effetto della concentrazione di cationi sulle proprietà termiche e sulla conducibilità dei materiali. Inoltre, la complessazione dei cationi e il suo effetto sul trasferimento di carica a lungo raggio sono studiati accuratamente tramite spettroscopia infrarossa e Raman. Nel caso dei materiali catodici la struttura e la composizione chimica di questi sistemi è modulata al fine di studiare il loro effetto sul processo di intercalazione/deinteracalazione dello ione litio, sull’efficienza e le prestastazioni dei prototipi di batteria a bottone tipo CR2032. I materiali studiati comprendono: a) un conduttore inorganico di stato solido a singolo catione di litio basato su di un ossido di titanio fluorurato; b) una nuova classe di elettroliti nanocompositi polimerici per batterie al litio; e c) due elettroliti per batterie al magnesio basati su liquidi ionici e un sale innovativo di Mg. Inoltre, al fine di evidenziare le correlazioni esistenti tra le dinamiche dei rilassamenti molecolari degli elettroliti e i processi di trasferimento di carica a lungo raggio, sono stati effettuati due studi sui meccanismi di rilassamento dielettrico di: a) elettroliti polimerici al Mg; e b) elettroliti polimerici solidi a base di alluminio silicati (SPE). Infine viene proposta una nuova promettente famiglia di materiali catodici di cui si studiano le correlazioni tra struttura, morfologia e prestazioni in batterie secondare prototipo a bottone. La tesi inizia con un’ introduzione generale sullo stato dell'arte degli elettroliti e dei catodi. Particolare attenzione è rivolta sugli svantaggi e sulle possibili future soluzioni. In secondo luogo, vengono descritti I n dettaglio la sintesi e caratterizzazione di ciascuna classe di materiali qui proposti. Quindi, si conclude evidenziando I risultati più salient ottenuti sui vari sistemi proposti.