Studio di membrane polimeriche elettrofilate a conduzione ionica

I N T R O D U Z I O N E Lo sviluppo delle società passa per la disponibilità di energia: ciò era vero nei secoli passati e lo è ancor di più nella società moderna dove la possibilità di disporre, accumulare e trasformare energia, oltre ad essere un fattore fondamentale per il benessere delle nazioni, ha anche degli interessi strategici negli equilibri economici [1] . La fonte primaria di energia sono tuttora i combustibili fossili il cui uso pone però non pochi problemi sia di natura ambientale (per l’esaurimento di risorse non rinnovabili e per le emissioni inquinanti con tutte le conseguenze sanitarie, sociali e climatiche che ne derivano) sia di tipo socio-economico. La soluzione potrebbe risiedere nella produzione di energia da fonti rinnovabili (eolico, solare, etc.) che hanno però lo svantaggio di essere discontinue, non trasportabili e a bassa potenza, quindi non adatte alle esigenze della moderna società tecnologica: è per questo che intensi sforzi nella ricerca sono rivolti allo studio di dispositivi per l’accumulo dell’energia ad alta efficienza in termini di dimensioni, peso e costi. I più diffusi e promettenti a livello di sviluppo tecnologico risultano sicuramente essere gli accumulatori agli ioni di Litio (Li-Ion), dei dispositivi elettrochimici in grado di accumulare reversibilmente energia elettrica sotto forma di energia chimica con un’alta efficienza di conversione e senza la produzione sottoprodotti di scarico. Per le loro caratteristiche di elevata energia specifica e capacità, portabilità e costi contenuti hanno completamente monopolizzato il mercato dei dispositivi elettronici portatili ma non hanno ancora raggiunto parametri di sicurezza, efficienza e prestazioni necessarie per poter alimentare i veicoli elettrici o applicarli come accumulatori stazionari in smart-grid [2] . La performance degli accumulatori Li-Ion “convenzionali” (basati su reazioni di intercalazione reversibile degli ioni litio) si sta avvicinando alla massima teorica, perciò ulteriori miglioramenti potranno essere perseguiti solamente ripensando la chimica della cella e quindi studiando nuovi materiali. Uno dei sistemi più promettenti per la prossima generazione di batterie al litio sono gli accumulatori a catodo a base di zolfo (detti brevemente Li-S), con una capacità teorica da 3 a 5 volte superiore a quella delle Li-Ion convenzionali [3] . Notevoli difficoltà tecniche restano da affrontare prima di arrivare ad un dispositivo Li-S commercializzabile, tra cui l’ottimizzazione delle prestazioni degli elettroliti. La soluzione potrebbe essere rappresentata dagli elettroliti polimerici gelificati base di poli etileossido che uniscono alle proprietà meccaniche e diffusive di un solido una buona conduttività ionica. Proprio al fine di migliorare questo ultimo aspetto sono stati studiati degli additivi in grado di agire sui meccanismi alla base della conduzione. S C O P O D E L L A T E S I Scopo di questa tesi è la caratterizzazione di sistemi elettrolitici innovativi a base di Poli Etilen Ossido (PEO) prodotte con la tecnica dell’elettrofilatura e gelificate con soluzioni a base di Liquidi Ionici (ILs), solventi carbonati, Sali di litio a bassa energia reticolare, filler ceramici e polisolfuri. Questi sistemi, che sono stati progettati sulla base di presupposti teorici, sono stati caratterizzati termicamente tramite Calorimetria Differenziale a Scansione (DSC) ed Analisi Termo- Gravimetrica (TGA) per studiare le proprietà dei materiali, ed elettrochimicamente, mediante Spettroscopia d’Impedenza Elettrochimica (EIS) e ciclazioni galvanostatiche, per valutarne la reale applicabilità negli accumulatori. 2