Anagrafe della ricerca

Le batterie ricaricabili a base di ioni di zinco (Zn-ion) stanno emergendo come una valida alternativa rispetto alle batterie al litio, grazie alla disponibilità e al basso costo dello zinco. Inoltre, le batterie Zn-ion presentano il vantaggio di una maggiore sicurezza, poiché utilizzano elettroliti acquosi o polimerici non infiammabili, rendendole ideali per applicazioni stazionarie e su larga scala. Questo progetto mira allo sviluppo e all'ottimizzazione di elettroliti polimerici per batterie Zn-ion allo stato solido, concentrandosi sulla loro compatibilità catodi avanzati sviluppati ad ENEA. Le attività relative allo sviluppo di elettroliti per litio ione avanzate si concentrerà sull’ottimizzazione di elettroliti polimerici, sia fotoreticolati che convenzionali, con l’obiettivo di migliorare la compatibilità con catodi ad alta tensione, quali LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 (NMC811) e Li-Rich, che operano a tensioni superiori a 4,3 V rispetto al Li+/Li. In particolare, le attività si focalizzeranno sull’ottimizzazione della compatibilità degli elettroliti con il catodo ad alta tensione sviluppati ad ENEA. I catodi ad alta tensione presentano il vantaggio di una maggiore densità energetica, ma introducono problematiche legate alla decomposizione dell’elettrolita agli alti potenziali di lavoro. All’interno della line di attività verranno utilizzati additivi perfluorurati, noti per la loro elevata stabilità chimica e termica, per ridurre la degradazione interfaccia-elettrolita e migliorare la stabilità della cella. È stato dimostrato che additivi perfluorurati, come il fluoroetilene carbonato (FEC) possono formare strati passivanti stabili che limitano la decomposizione dell’elettrolita alle alte tensioni, migliorando così l’efficienza coulombica e la durabilità del sistema. Un altro fattore cruciale sarà l'integrazione di elettroliti solidi in grado di mantenere una stabilità elettrochimica su un'ampia finestra, evitando reazioni indesiderate con i catodi ad alta tensione. Elettroliti polimerici contenenti gruppi perfluorurati hanno dimostrato una maggiore resistenza alla decomposizione ossidativa grazie alla loro struttura chimica altamente stabile, riducendo il rischio di formazione di gas o prodotti secondari dannosi. La caratterizzazione elettrochimica includerà misure di resistenza interfaccia-elettrolita, che si prevede possa scendere al di sotto di 50 O·cm² per celle con catodi ad alta tensione, migliorando così la risposta in termini di cicli di carica e scarica e riducendo la resistenza interna. La ricerca includerà anche test di ciclazione elettrochimica per catodi ad alta tensione operanti su un range di temperature da -20°C a 80°C e densità di corrente fino a 1 C, per verificare la stabilità a lungo termine e la capacità di mantenere una capacità specifica superiore ai 180 mAh/g per catodi come NMC811 e Li-Rich. Si analizzeranno i profili di degradazione per identificare i principali meccanismi di perdita di capacità e resistenza interfaccia-elettrolita. Le attività relative allo sviluppo di elettroliti per batterie a ioni di zinco (ZIB) si concentreranno sull’ottimizzazione di elettroliti polimerici gel (GPE), sia a base acquosa che non acquosa, con l’obiettivo di migliorare la stabilità e la compatibilità con catodi specifici per ZIB sviluppato da ENEA, come i materiali a base di ossidi di manganese e analoghi del blu di Prussia, che operano a tensioni fino a 2 V rispetto a Zn/Zn²? [7-9]. In particolare, le attività si focalizzeranno sull'ottimizzazione della compatibilità degli elettroliti con i catodi sviluppati ad ENEA, i quali presentano vantaggi in termini di capacità volumetrica e sostenibilità, ma introducono problematiche legate alla formazione di dendriti di zinco durante il processo di carica. Un aspetto cruciale sarà l'integrazione di GPE che possano limitare la crescita dei dendriti e stabilizzare la superficie dell’anodo di zinco. È stato dimostrato che l'aggiunta di composti polimerici o additivi specifici possono contribuire a formare un'interfaccia più stabile tra l’elettrolita e l’anodo, riducendo il rischio di cortocircuiti e migliorando l'efficienza coulombica del sistema. Inoltre, la caratterizzazione elettrochimica comprenderà misure di conduttività ionica e stabilità elettrochimica, con l’obiettivo di raggiungere valori di conduttività superiori a 1 mS/cm, migliorando così la risposta della batteria in termini di cicli di carica e scarica e riducendo la resistenza interna. La ricerca includerà anche test di ciclazione elettrochimica per catodi specifici per ZIB operanti su un range di temperature da -20°C a 60°C e densità di corrente fino a 0,5 C, per verificare la stabilità a lungo termine e la capacità di mantenere una capacità specifica superiore ai 120 mAh/g per i catodi prescelti. Si analizzeranno i profili di degrado per identificare i principali meccanismi di perdita di capacità e resistenza interfaccia-elettrolita, al fine di ottimizzare ulteriormente le prestazioni delle ZIB. L’attività proposta rappresenta un’importante innovazione non solo dal punto di vista tecnico, ma anche per la sua utilità strategica nel contesto della rete elettrica. Le batterie a stato solido offrono infatti un potenziale enorme per l’accumulo energetico su larga scala, una componente essenziale per l’integrazione delle energie rinnovabili (eolico, solare) nella rete. L’adozione di elettroliti solidi, con una maggiore sicurezza e una durata operativa estesa, potrebbe rivoluzionare il modo in cui l'energia viene immagazzinata e distribuita, favorendo una rete elettrica più stabile e decentralizzata.