RICERCA DI SISTEMA ELETTRICO. Ricerca di materiali anodici per batterie litio ione operanti in elettroliti organici convenzionali di più elevata energia rispetto a quelle sul mercato

Il rapporto descrive il lavoro svolto per la preparazione e caratterizzazione di anodi per batterie litio ione costituiti da metalli (Si, Sn, Sb) capaci di formare leghe del tipo LixM con il litio secondo la reazione elettrochimicamente reversibile x Li+ + x e- + M  LixM dove x può assumere valori pari a 4.4 per Sn e Si e 3 per Sb con capacità teoriche pari a 993 mAh/g, 4200 mAh/g e 660 mAh/g rispettivamente. I problemi degli elettrodi costituiti da leghe metalliche sono essenzialmente dovuti alle variazioni di volume durante i processi di formazione delle leghe che possono raggiungere valori dell’ordine del 300% (Sn), 360 % (Si) e 200 % (Sb). Le variazioni di volume inducono stress meccanici sugli elettrodi che polverizzano progressivamente con rapida perdita di capacità. In letteratura si trovano moltissimi lavori in cui gli stress meccanici sono tamponati preparando elettrodi compositi nei quali le particelle metalliche sono supportate su matrici di varia natura capaci di compensare le variazioni di volume [1]. Sulla base di recenti lavori di letteratura [2-6] durante questa ricerca è stato utilizzato grafene come supporto per le particelle metalliche. Dal punto di vista strutturale il grafene (GNS) corrisponde a grafite completamente esfoliata: array bidimensionale di atomi di carbonio ibridizzati sp2 con uno spessore di un atomo. In quanto tale può essere considerato come il mattone fondamentale per tutte le forme allotropiche dei fullereni (buckyball, carbon nanotubes etc.) [7]. Proprietà fondamentali del grafene sono: (i) elevata area superficiale( 2630 m2/g), (ii) elevatissima conducibilità ( 64 mS cm-1 circa 60 volte quella dei nanotubi). Nel caso oggetto di questa ricerca nei compositi M/grafene, il grafene serve sia come materiale ad elevata conducibilità elettronica, sia come materiale che può intercalare litio ed allo stesso tempo può agire da tampone per minimizzare gli stress meccanici durante i processi di formazione/dissoluzione delle leghe metalliche. La sintesi dei nano compositi grafene-metallo è stata effettuata mediante impregnazione di grafene ossido (GO), preparato in laboratorio, con diversi tipi di sali. I gruppi funzionali (-OH, -COOH, -OOH) presenti sul GO possono ancorare per coordinazione gli ioni metallici che per successiva riduzione danno origine a nanoparticelle [6]. La procedura di preparazione è stata compiuta aggiungendo un sale ad una sospensione di GO in glicole etilenico. La sospensione è stata successivamente trattata con microonde. Il trattamento determina la riduzione del GO a RGO (Reduced Graphene Oxide) e la formazione di metalli ed ossidi metallici. A causa della disposizione casuale dei gruppi funzionali nel GO, le particelle risultanti sono uniformemente distribuite nella matrice di RGO che funziona da tampone per le variazioni di volume. Le polveri così ottenute sono state caratterizzate mediante SEM, TEM, XRD ed utilizzate per la preparazione degli elettrodi con tecnica doctor-blade. I test elettrochimici sono stati condotti in celle a T con Li metallico come contro-elettrodo ed elettrodo di riferimento, fibra di vetro imbevuta con una soluzione 1M di LiPF6 in etilene carbonato/dimetile carbonato 1:1 in peso, (Merck LP30) come separatore. Le capacità specifiche ottenute a velocità di carica e scarica dell’ordine dei 100 mAh/g sono risultate pari a 600, 1000 e 400 per compositi di Sn, Si e Sb, rispettivamente.