Studio delle proprietà di elettroliti polimerici per batterie litio-zolfo

Le batterie a base di Li stanno dominando l'industria in questi ultimi anni, grazie alla loro elevata densità energetica; la ricerca sta facendo notevoli progressi per quanto riguarda i materiali per gli elettrodi e gli elettroliti, poiché sono gli elementi che determinano la capacità complessiva di una batteria, la densità di corrente (potenza), la sua ciclabilità, la stabilità e l'affidabilità della cella. Il componente che presenta la maggior criticità e che determina l'affidabilità di una cella elettrochimica a base di litio è certamente l'elettrolita, che dovrebbe possedere i seguenti criteri: essere un buon conduttore ionico, presentare una finestra elettrochimica ampia, essere inerte rispetto agli altri componenti della cella, presentare una bassa tossicità, basarsi su una chimica sostenibile e comportare un costo totale basso. I sistemi litio-ione attuali stanno raggiungendo il loro limite intrinseco. Se si vogliono migliorare le prestazioni, è necessario trovare nuovi sistemi e nuove chimiche. A causa dell'abbondanza naturale e del basso costo dell'elemento, un sistema che suscita grande interesse è la batteria a base di zolfo (utilizzato come catodo), ovvero le cosiddette litio-zolfo (Li-S). Grazie alla riduzione completa da zolfo elementare a solfuro di litio (Li2S), lo zolfo è in grado di fornire una capacità specifica ed una densità energetica 3-5 volte superiori rispetto alle altre batterie a base di litio. Sebbene questo studio sia in corso da oltre trent'anni, la commercializzazione delle batterie Li-S non ha ancora riscosso successo, a causa di vari problemi. I più noti tra essi includono una vita breve del ciclo, bassa efficienza di carica, scarsa sicurezza ed un alto tasso di autoscarica. Tutti questi problemi sono correlati alla dissoluzione dei polisolfuri di litio (PS, Li2Sn), cioè gli intermedi di riduzione dello zolfo ed alle reazioni parassite. Questa tesi è centrata sullo studio di elettroliti polimerici ibridi contenenti liquidi ionici e filler ceramici per stabilizzare l'anodo di litio metallico, e garantire elevata stabilità delle celle Li-S, insieme ad un miglioramento delle prestazioni. Si sono studiati differenti sistemi polimerici, utilizzando due diversi liquidi ionici, un elettrolita liquido e due tipi di ceramici, in diversi rapporti di massa. Queste membrane sono state caratterizzate utilizzando la microscopia ottica, la termogravimetria e varie tecniche di spettroscopia elettronica di impedenza.