ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
28-apr-2022
2021/2022
In questo lavoro di tesi elettroliti polimerici solidi (SPE) vengono prodotti e analizzati, quali alternativa più sicura agli attuali elettroliti liquidi utilizzati nelle batterie a base di litio. Gli elettroliti allo stato solido, in particolare a base polimerica, potrebbero rappresentare un promettente passo avanti, in quanto risolvono i principali problemi che interessano gli elettroliti liquidi, ovvero l’instabilità termica, la crescita dei dendriti e i rischi di perdite.
Un'ampia varietà di diversi SPE basati su diversi materiali polimerici sono stati inizialmente considerati, prodotti e caratterizzati. SPE a base di ossido di polietilene (PEO) sono stati considerati la soluzione più promettente e sono stati ulteriormente ottimizzati analizzando l'influenza di differenti sali di litio, plasticizzanti e riempitivi inorganici. Sono state inoltre prese in considerazione diverse composizioni di miscele polimeriche. L'effetto di ciascun componente è stato analizzato mediante spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) e voltammetria a scansione lineare (LSV), per valutare la conduttività ionica, il numero di trasferimento di ioni di litio e la finestra di stabilità elettrochimica (ESW) delle SPE prodotte. Sono stati eseguiti test di plating e stripping su celle Li-Li simmetriche e test di carica-scarica su configurazioni Li-LFP a mezza cella, per valutare la stabilità degli elettroliti polimerici prodotti. Le SPE prodotte hanno mostrato un'elevata efficienza e stabilità durante i cicli di carica-scarica, anche a temperatura ambiente. Sono stati inoltre condotti test preliminari per valutare la possibilità di introdurre le SPE prodotte in diverse architetture, come Li-S e batterie prive di anodi.
I promettenti risultati ottenuti in questo lavoro, dimostrano che gli elettroliti polimerici solidi rappresentano un'alternativa fattibile e affidabile agli elettroliti liquidi tradizionali. Essi sono dunque perfettamente adatti ad essere integrati nell'attuale linea di produzione di batterie agli ioni di litio.
In this thesis work solid polymer electrolytes (SPEs) are produced and analyzed as a safer alternative to the current liquid electrolytes used in Li-based batteries. Solid-state electrolytes, in particular polymeric based, could represent a promising step forward, as they solve the main problems affecting liquid electrolytes, i.e. thermal runaway, dendrites growth and leakage risks.
A wide variety of different SPEs, based on different polymeric materials, were at first considered, produced and characterized. Polyethylene oxide (PEO)-based SPEs were considered as the most promising solution and were further optimized by analyzing the influence of different Li-ion salts, plasticizers and inorganic fillers. Different blends compositions were also considered. The effect of each component was analyzed by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and linear sweep voltammetry (LSV), to evaluate the ionic conductivity, the Li-ion transfer number and the electrochemical stability windows (ESW) of the produced SPEs. Plating and stripping tests in symmetric Li-Li cells and charge-discharge tests in half-cell Li-LFP configuration were performed to evaluate the cyclability of the produced polymer electrolytes. The SPEs produced showed high efficiency and stability during charge-discharge cycles, even at room temperature. Preliminary tests were also conducted to evaluate the possibility to introduce the herein produced SPEs into different architectures, such as Li-S and anode-free batteries.
The promising results obtained in this work, demonstrate that solid polymer electrolytes represent a feasible and reliable alternative to traditional liquid electrolytes, perfectly suitable to be integrated in the current Li-ion battery production line.