Separatori multifunzionali nelle batterie Li-S

La batteria litio-zolfo, data la sua elevata capacità teorica specifica (1675 mAh/g) e densità energetica (2600 Wh/kg), è uno dei candidati più promettenti per l'accumulo di energia. Ha molti altri vantaggi anche nella fabbricazione, quali l'uso di materie prime facilmente reperibili, buona tutela dell'ambiente e basso costo. Tuttavia, ci sono varie ragioni per cui queste batterie non possono avere un'applicazione pratica.Per ovviare a questi problemi, nelle batterie litio-zolfo viene implementato un separatore. Al giorno d'oggi sono disponibili numerosi tipi di separatori ed un gran numero di ricerche dimostrano che il design della struttura dei separatori influisce in modo considerevole sulle prestazioni della batteria. Il mio lavoro di tesi si è basato su separatori che facevano uso di materiali in carbonio, polimeri e ossidi inorganici. Questi materiali, combinati tra loro, conferivano al separatore delle proprietà altamente più soddisfacenti dei separatori convenzionali (membrane microporose in polipropilene o polietilene). I due separatori trattati (CNT/Al2O3/PP e SNP/Celgard) sono stati preparati attraverso la tecnologia di rivestimento in sospensione. Questo metodo è semplice e compatibile con il tradizionale processo di fabbricazione della batteria. Entrambi i separatori trattati, eseguendo le caratterizzazioni hanno mostrato dei dati effettivamente incoraggianti. Per avere un confronto e comprendere a pieno la funzione del separatore CNT/Al2O3/PP nelle celle delle batterie litio-zolfo, esso è stato confrontato con altri separatori. Per la capacità di scarica (CS) abbiamo 1066 mAh/g (PP), 1233 mAh/g (Al2O3/PP) e 1287 mAh/g (CNT/Al2O3/PP). Dopo 100 cicli il CNT/Al2O3/PP presenta una CS di 807.8 mAh/g rispetto ai 731.8 mAh/g di Al2O3/PP e 584.1 mAh/g del PP. Un altro dato molto importante per la caratterizzazione è vedere come varia la capacità di scarica aumentando la velocità di corrente (la 'C-rate'). A basse velocità (e.g. 0.2 C) il separatore CNT/Al2O3/PP mostra valori di CS migliori ma ancora comparabili rispetto a quelli degli altri due citati. Il dato interessante si ha a 2 C quando sia PP che Al2O3/PP presentano valori ben al di sotto dei 300 mAh/g, mentre la cella con il separatore CNT/Al2O3/PP presenta circa 750 mAh/g. L'altro tipo di separatore analizzato era il composito SNP/Celgard impiegato in una batteria lito-zolfo semisolida. Lo scudo per inibire la migrazione del polisolfuro e fissare l'elettrolita era composto da Li+-Nafion, PEO e carbonio Super P. La batteria Li-S con questa membrana mostra prestazioni eccellenti in termini di capacità e rendimento all'aumentare dei cicli. Possiamo concludere dicendo che il design del separatore è fondamentale per ovviare ai vari problemi nelle celle Li-S, ma il miglioramento elettrochimico sostanziale lo si ha quando rivestiamo l'elettrodo con un materiale molto conduttivo come il carbonio. Si ritiene che gli sviluppi dei separatori multifunzionali, associati ad un nuovo design degli elettrodi della cella, potrebbero promuovere la fattibilità di commercializzare le batterie al litio-zolfo per future applicazioni di accumulo energetico.