Materiali chirali funzionali: prospettive di applicazione nei dispositivi elettrochimici

The project is structured as a progressive PhD pathway that evolves from fundamental research toward industrial innovation, in alignment with the applied objectives of the PNRR programs. The study proposes an integrated approach to sustainable materials for electrochemical energy storage, combining scientific advancement and technological development toward next-generation energy solutions. In its initial stage, the research focused on the phenomenological analysis of novel electrode materials, with particular attention to monolayers based on chiral molecules. The investigation explored the Chiral-Induced Spin Selectivity (CISS) effect, which lowers the activation barrier of the oxygen reduction reaction (ORR) and limits peroxide formation, thereby enhancing performance and safety. Chiral materials exhibiting the CISS effect have shown promise for cathodes in metal–air batteries, supercapacitors, and microbial fuel cells (SC-MFC). The study emphasized fulvalene derivatives, characterized by high CISS selectivity, and porphyrins, known for their biocompatibility and environmental sustainability. This phase, conducted both at the home university and abroad, provided solid theoretical and experimental foundations for the subsequent stages. The work then advanced toward the assembly and electrochemical characterization of sodium-ion Swagelok-type cells, marking the transition from material investigation to functional testing in devices. An original contribution stemmed from the development of a sustainable anode derived from recycled denim fibers, converted into a binder-free carbon electrode, demonstrating the potential of post-consumer textile waste in a circular economy perspective. The resulting cells were tested through cyclic voltammetry, galvanostatic charge–discharge, and impedance spectroscopy, enabling correlations between material structure and electrochemical behaviour. Although the performances are not yet optimized, the results highlighted opportunities for improvement and consolidated essential knowledge for further application-oriented development. The final phase aimed to integrate academic research with industrial innovation in the battery field, through a six-month internship at Ferrari S.p.A. focused on composite polycrystalline–single-crystalline (PC–SC) cathodes for high-nickel NMC systems intended for next-generation lithium-ion batteries, crucial to electric mobility. The transition from cobalt-rich to Ni-rich cathodes addresses the need to reduce costs, increase specific capacity and energy density, enhance thermal stability, and decrease reliance on critical materials. Within this framework, SC cathodes provide improved structural integrity and cycling stability, while PC ones ensure higher initial capacity and enhanced ionic transport. The study assessed composite cathodes with different SC/PC ratios through multi-scale analyses of structural stability, ion diffusion, impedance, and electrochemical reversibility, providing valuable insight for optimizing materials and processes toward industrial implementation.

Il percorso si configura come un dottorato strutturato e progressivo che, dal livello fondamentale, approda all’innovazione industriale in linea con gli obiettivi applicativi dei programmi PNRR. La ricerca propone un approccio integrato allo studio di materiali sostenibili per l’accumulo elettrochimico, coniugando avanzamento scientifico e sviluppo tecnologico verso soluzioni energetiche di nuova generazione. Nella fase iniziale, l’attività si è concentrata sull’analisi fenomenologica di nuovi materiali elettrodici, con particolare attenzione a monostrati basati su molecole chirali. È stato approfondito l’effetto di Selettività di Spin Indotta dalla Chiralità (CISS), capace di ridurre la barriera di attivazione della reazione di riduzione dell’ossigeno (ORR) e limitare la formazione di perossidi, migliorando così prestazioni e sicurezza dei dispositivi. I materiali chirali che manifestano l’effetto CISS sono promettenti per catodi in batterie metallo–aria, supercapacitori e celle a combustibile microbiche (SC-MFC). La ricerca ha posto l’accento su derivati del fulvalene, caratterizzati da elevata selettività CISS, e su porfirine, note per biocompatibilità e sostenibilità ambientale; queste indagini, condotte sia presso l’ateneo di afferenza sia all’estero, hanno fornito solide basi teoriche e sperimentali per gli sviluppi successivi. Il lavoro è quindi proseguito con l’assemblaggio e la caratterizzazione elettrochimica di celle sodio-ione di tipo Swagelok, sancendo il passaggio dallo studio dei materiali alla verifica funzionale in dispositivi. Un contributo originale è derivato dallo sviluppo di un anodo sostenibile ottenuto da fibre di denim riciclate, convertite in un elettrodo di carbonio privo di legante, dimostrando il potenziale dei rifiuti tessili post-consumo in ottica di economia circolare. Le celle così realizzate sono state sottoposte a prove di voltammetria ciclica, carica-scarica galvanostatica e spettroscopia di impedenza, consentendo di correlare struttura e proprietà elettrochimiche dei materiali. Sebbene le prestazioni non siano ancora ottimali, i risultati ottenuti hanno evidenziato margini di miglioramento e consolidato le conoscenze necessarie allo sviluppo applicativo. La fase conclusiva del percorso ha mirato a integrare ricerca accademica e innovazione industriale nel campo delle batterie, attraverso una collaborazione con Ferrari S.p.A. durante un tirocinio di sei mesi dedicato allo studio di catodi compositi policristallini–monocristallini (PC–SC) per sistemi NMC ad alto tenore di nichel, destinati a batterie agli ioni di litio di nuova generazione, cruciali per la mobilità elettrica. La transizione da catodi ricchi di cobalto a quelli Ni-rich risponde alla necessità di ridurre i costi, incrementare la capacità specifica e la densità energetica, migliorare la stabilità termica e diminuire la dipendenza da materiali critici. In questo contesto, i catodi SC offrono maggiore integrità strutturale e stabilità ciclica, mentre i PC garantiscono capacità iniziali più elevate e un miglior trasporto ionico. Lo studio ha infine valutato catodi compositi con differenti rapporti SC/PC tramite analisi multi-scala su stabilità strutturale, diffusione ionica, impedenza ed efficienza di reversibilità elettrochimica, fornendo indicazioni utili per l’ottimizzazione di materiali e processi in vista dell’applicazione industriale.