Polymer electrolytes for high stability lithium metal batteries through a fast and scalable process

In this thesis work polymer electrolytes for Li-based batteries have been developed, to solve the issues related to the commercially available liquid electrolytes to the stability issues related to the use of lithium metal anode in lithium metal batteries. Among all the existing electrolytes, particular attention was given to gel polymer electrolytes (GPE) and solid polymer electrolytes (SPE), that enables the transport of lithium ions while being in solid, or gel state, effectively avoiding any issue related to the presence of traditional organic liquids, including leakages, thermal runaway, and safety risks. Different solutions have been adopted in order to improve the transport mechanism of polymer electrolytes by controlling the degree of crystallinity and the ability to solvate and dissociate lithium salts. The goal was to obtain a solid or gel electrolyte showing high ionic conductivity with a simple a scalable process. Different production and composition solutions have been proposed, including UV-induced crosslinking, organic and inorganic plasticizers as additives and also blending different polymer matrices. The electrochemical analysis has been focused on electrochemical impedance spectroscopy to study the ionic conductivity, linear sweep voltammetry for the electrochemical stability window determination, and the cyclability of the cells was analyzed by means of galvanostatic plating and stripping procedure. The thesis work finally demonstrates the applicability in lithium metal batteries of solid and gel polymer electrolytes, produced through solution casting technique, showing promising results in terms of stability and electrochemical performances, with respect to state-of-the-art technology and traditional liquid electrolytes.

In questa tesi sono stati prodotti elettroliti polimerici per batterie al litio con lo scopo di risolvere problemi legati alla presenza di elettroliti liquidi nei dispositivi disponibili sul mercato e i problemi di compatibilità con l’anodo a litio metallico nelle batterie a litio metallico. Tra la grande varietà di polimeri esistenti, ci si è concentrati particolarmente su elettroliti polimerici in fase gel (GPE), e elettroliti polimerici in fase solida (SPE), i quali che permettono il trasporto di ioni pur essendo in fase solida o gel, il che permette di evitare qualunque svantaggio associato alla presenza di liquidi organici, come fuoriuscite incontrollate, instabilità termica e rischi alla sicurezza. Sono state adottate diverse soluzioni per migliorare il meccanismo di trasporto negli elettroliti polimerici controllando il grado di cristallinità e l’abilità di sciogliere e dissociare i sali di litio. L’obiettivo consiste nel preparare un elettrolita solido o gel con un’alta conducibilità ionica attraverso un processo produttivo semplice e scalabile. Per ottenere questi risultati sono state proposte diverse soluzioni riguardanti la produzione e la composizione, inclusa la reticolazione indotta da radiazione UV, plasticizzanti organici e inorganici come additivi, e tecniche di miscelazione di diverse matrici polimeriche. L’analisi elettrochimica si concentrata sulla conducibilità ionica, studiata grazie all’impedenza, la finestra di stabilità elettrochimica è stata determinata con la voltammetria, e la ciclabilità delle celle con una procedura di plating e stripping in controllo di corrente. L’obiettivo finale è chiarire l’applicabilità di elettroliti solidi e gel, prodotti grazie al metodo del casting, in batterie a lito metallico e verificare i vantaggi in termini di stabilità e prestazioni elettrochimiche rispetto allo stato dell’arte e ai tradizionali elettroliti liquidi.