L'importanza sempre crescente delle batterie litio-ione per applicazioni sia in piccola che media e grande scala (dai telefoni cellulari ai veicoli elettrici e all’accumulo stazionario dell’energia) ha portato a una maggiore consapevolezza riguardo al loro impatto ambientale e sicurezza [1,2].

Per quanto concerne l’impatto ambientale, l'impiego di leganti idrosolubili, come la carbossimetilcellulosa di sodio (CMC) utilizzata negli anodi di grafite, ha consentito un sostanziale miglioramento in termini di ritenzione di capacità ed efficienza coulombica al primo ciclo [3]. Relativamente al catodo, tuttavia, la notevole sensibilità degli ossidi dei metalli di transizione contenenti litio (ad es. LiNi_0.5Mn_1.5O₄ (LNMO), Li [Ni_1/3Mn_1/3Co_1/3]O₂ (NMC) o Li₂MnO₃*NMC) nei confronti dell'acqua, in combinazione con la conseguente marcata corrosione del collettore di corrente in alluminio, ha finora impedito lo sviluppo di leganti e tecniche di lavorazione acquose [4,5]. Tali problemi possono essere superati con l’introduzione di nuove strategie complementari, in grado di realizzare catodi ad intercalazione per ioni litio, che offrono una maggiore stabilità di ciclazione, migliori prestazioni ad elevati regimi di corrente e capacità specifiche più elevate [6-8].

Per quanto riguarda la sicurezza, le batterie a stato solido (ASSB) promettono maggiori densità di energia e consentono l'uso “sicuro” dell'anodo di litio metallico. Grazie alla loro buona conduttività ionica a temperatura ambiente, alta duttilità e bassa densità, gli elettroliti solfidici sono tra i candidati più interessanti per ASSB ad alta densità di energia. Nella presente lecture, si riportano due diversi, ma potenzialmente complementari, approcci per lo sviluppo di ASSB “bulk-type” basati su elettroliti solidi.

In primo luogo, sarà discussa l'importanza della selezione dei materiali al fine di ottenere un elevato utilizzo del materiale attivo a valori di “mass loading” elettrodico di interesse per applicazioni pratiche. Ad esempio, il sistema Li-S è scelto a motivo della sua particolare cinetica catodica. Sarà mostrato come i catodi compositi, che incorporano solfuri di metalli di transizione (come, ad esempio, FeS₂), possono migliorare l'utilizzazione dello zolfo fornendo stabili valori di capacità per unità di superficie catodica [9]. Inoltre, sarà discussa una procedura di produzione facilmente scalabile che sfrutta la duttilità degli elettroliti sulfidici. La procedura di preparazione, sviluppata nei nostri laboratori, consente di ottenere facilmente un catodo composito (a base del materiale attivo LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2O₂) mediante leganti e solventi compatibili con l'elettrolita β-Li₃PS₄ [10].

Bibliografia

[1]           D. Bresser et al., Energy Environ. Sci. 11 (2018) 3096-3127.

[2]           J. Kalhoff et al., ChemSusChem 8 (2015) 2154-2175.

[3]           H. Buqa et al., J. Power Sources. 161 (2006) 617-622.

[4]           M.M. Thackeray, J. Am. Ceram. Soc. 82 (1999) 3347-3354.

[5]           X. Zhang et al., J. Power Sources. 196 (2011) 5102-5108.

[6]           N. Loeffler et al., ChemSusChem. 9 (2016) 1112–1117.

[7]           N. Loeffler, et al., J. Power Sources. 248 (2014) 915–922.

[8]           M. Kuenzel et al., ChemSusChem 11 (2018) 562 – 573.

[9]           U. Ulissi et al., Adv. Energy Mater. (2018) 1801462.

[10]        T. Ates et al., Energy Storage Materials, (2018) 10.1016/j.ensm.2018.11.011.