Nuova generazione di accumulatori di energia litio-aria

Stato dell’Arte

Gli accumulatori litio-ione sono dei sistemi che hanno reso possibile la commercializzazione delle auto elettriche e la diffusione degli impianti a energia solare ed eolica. Ciononostante, le celle litio-ione presentano una limitata densità di energia (250 𝑊ℎ 𝑘𝑔−1 ), un costo elevato (€300/𝑘𝑊ℎ) e un notevole impatto ambientale dovuto ai materiali utilizzati.[1] Gli accumulatori litio-ossigeno, chiamati anche litio-aria, hanno un’altissima densità di energia teorica, pari a 11 620 𝑊 ℎ 𝑘𝑔−1 . Tuttavia, lo sviluppo di questi dispositivi di immagazzinamento di energia è stato ostacolato da diverse problematiche. In primo luogo, l’uso di un anodo di litio metallico è associato a problemi per la sicurezza a causa della possibile formazione di strutture dendritiche sulla superficie dell’elettrodo che possono causare cortocircuiti. In secondo luogo, l’elevata reattività degli intermedi di reazione con il catodo carbonioso e con i solventi delle soluzioni elettrolitiche convenzionali (come, ad esempio, i carbonati organici) ostacola la reversibilità del processo elettrochimico della cella. Infine, il carattere isolante della specie 𝐿𝑖2𝑂2 che si deposita sul catodo carbonioso durante il processo di scarica porta all’alta polarizzazione della reazione di carica. [2,3] Con lo sviluppo di elettroliti alternativi molto più sicuri, come i gel, i solidi polimerici e gli elettroliti liquidi a bassa infiammabilità, l’uso del litio metallico come anodo e, di conseguenza, anche degli accumulatori di litio-aria, è stato rivalutato. Inoltre, l’aggiunta di additivi sacrificali come carbonato di vinilene, 𝐿𝑖𝑁𝑂3 e 𝑀𝑔(𝑁𝑂3)2 promuove la formazione di uno strato superficiale di passivazione sull’elettrodo di litio che limita la crescita dei dendriti. Come catodo di supporto vengono usati carboni di varia natura e morfologia, nanostrutture, materiali compositi dopati e catalizzatori a base di ossidi metallici. [4] Per aumentare la stabilità del materiale catodico e diminuire il potenziale di carica delle celle sono stati sviluppati vari catalizzatori omogenei, chiamati mediatori redox.[3]

Rilevanza del problema

Nei tempi moderni, la richiesta di energia è incrementata in maniera esponenziale. Ad oggi, la maggior parte di questa energia è ottenuta da combustibili fossili, che hanno una limitata disponibilità e un elevato impatto sull’ambiente. In tale contesto, la necessità di ricorrere alle energie rinnovabili sta diventando sempre più urgente. Pertanto, la commissione europea ha posto come obiettivo entro il 2030 che almeno il 32% dell’energia utilizzata dovrà essere di natura rinnovabile.[6] Essendo discontinue, le energie rinnovabili necessitano di sistemi di immagazzinamento di energia. Al momento, il sistema di immagazzinamento di energia più efficiente e versatile disponibile sul mercato sono gli accumulatori litio[1]ione. Gli accumulatori litio-aria possono essere una buona alternativa agli accumulatori litio-ione. Infatti, prototipi di laboratorio hanno mostrato una densità di energia superiore, una bassa tossicità e un’elevata sostenibilità ambientale. [1,2] Tra le ultime proposte della commissione europea si è aggiunta la riduzione del numero di autoveicoli a emissione di 𝐶𝑂2 (come, ad esempio, i veicoli a benzina e diesel). [7] Pertanto, è essenziale abbattere il costo delle auto elettriche, dovuto in buona parte alle celle litio-ione [8], e aumentarne l’autonomia. Gli accumulatori litio[1]aria potrebbero essere in grado di sopperire a queste necessità.

Obiettivi

Lo scopo di questa ricerca è lo studio e lo sviluppo di nuovi catodi ed elettroliti per accumulatori litio-aria, così da incrementarne la stabilità, la sicurezza e la densità di energia. In tal modo, sarà possibile creare un’alternativa più economica ed ecologicamente sostenibile agli accumulatori litio-ione presenti sul mercato.

Metodologia

La sintesi dei materiali catodici verrà eseguita utilizzando le tecniche acquisite durante lo stage in azienda previsto dal percorso dottorale. La struttura e la morfologia dei materiali catodici verranno studiati attraverso la diffrazione di raggi X (XRD), la microscopia elettronica a scansione (SEM) e la microscopia elettronica a trasmissione (TEM). Inoltre, la loro composizione superficiale verrà analizzata tramite la spettroscopia a dispersione di energia (EDS). L’interfase elettrodo/elettrolita sarà analizzata mediante spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS). Lo studio delle caratteristiche elettrochimiche dei materiali catodici e delle soluzioni elettrolitiche sarà condotto attraverso le tecniche di voltammetria ciclica, spettroscopia d’impedenza elettrochimica e ciclazione galvanostatica.

Articolazione del progetto e tempo di realizzazione

Nel corso del primo anno di dottorato è prevista la preparazione di elettroliti polimerici solidi e di soluzioni elettrolitiche liquide a base dei solventi aprotici e l’indagine delle loro proprietà elettrochimiche, come la conducibilità ionica, le proprietà di trasporto degli ioni 𝐿𝑖+, la finestra di stabilità elettrochimica e la stabilità dell’interfase elettrodo/elettrolita. Durante il secondo anno avrà luogo la sintesi di nuovi materiali catodici a base di carbonio di varia natura, morfologia e struttura, contenenti al loro interno catalizzatori eterogenei a base di metalli di transizione. Seguirà il loro studio chimico-fisico ed elettrochimico. Durante il terzo anno gli elettroliti e i materiali catodici più promettenti verranno selezionati e combinati in nuove configurazioni di celle litio-aria ad alto contenuto energetico.

Risultati attesi

I risultati attesi da questo progetto di ricerca sono la preparazione e l’ottimizzazione di accumulatori litio-aria ad alta energia ed efficienza. I materiali verranno sviluppati con migliori caratteristiche rispetto a quelle descritte nello stato d’arte, in termini struttura, morfologia e attività elettrochimica. Tali sistemi dovranno essere più sicuri, economici ed ecologicamente sostenibili rispetto ai sistemi di accumulo convenzionali.

Bibliografia
[1] G. Zubi, R. Dufo-López, M.Carvalho, G. Pasaoglu, Renew Sustain Energy Rev.,
2018, 89, 292
[2] L. Carbone, S. G. Greenbaum, J. Hassoun, Sustainable Energy Fuels, 2017, 1,
228.
[3] D. Aurbach, P.G. Bruce, L.N. Nazar, Y.-K. Sun et al., Chem. Rev., 2020, 120,
6626.
[4] M. Balaish, J.-W. Jung, I.-D. Kim, Y. Ein-Eli, Adv. Funct. Mater., 2020, 30,
1808303.
[5] J. Hassoun, J. Morales et al., ACS Appl. Energy Mater., 2020, 3, 12263.
[6]https://ec.europa.eu/clima/policies/strategies/2030_it
[7]https://motori.corriere.it/motori/attualita/21_luglio_15/dal-2035-solo-autoelettriche-che-fine-faranno-altre-cosa-comprare-oggi-11dde914-e568-11eb-b02eabf05f14a13d.shtml?refresh_ce .
[8] G. Berckmans et al., Energies, 2017, 10, 1314.
[9]https://www.qualenergia.it/articoli/le-rinnovabili-costano-meno-del-carbone-equella-strada-per-la-ripresa-mostrano-i-nuovi-dati-irena/
[10] J. Hassoun, J. Morales et al., J. Colloid Interface Sci., 2020, 573, 396

BeDimensional S.p.a - Via Lungotorrente Secca 30R - Genova 

Periodo: 6 mesi

Il progetto è coerente con i seguenti Ambiti di Ricerca e Innovazione del PNR 2021-2027:

5.5.1. Mobilità sostenibile
Articolazione 4. Reti e veicoli green e clean