Degradazione in celle Li-O2

Le celle Li-O2 sono uno straordinario dispositivo di accumulo energetico in grado di sfruttare le eccezionali proprietà della coppia redox Li/O2, rappresentando una concreta soluzione per il trasporto elettrico (in particolar modo per le automobili elettriche), lo stoccaggio massivo di energia “pulita” e per il funzionamento dell’elettronica di nuova generazione. Inoltre lo sviluppo di un’efficacie batteria Li-O2 avrebbe un impatto rivoluzionario nella nostra società portando ad una profonda de-carbonizzazione dei processi industriali e, quindi, una drastica riduzione delle emissioni di CO2 legate alle attività umane [1, 2]. Tuttavia, nonostante gli ingenti fondi investiti in R&D in tutto il mondo negli ultimi dieci anni, l’effettiva realizzabilità delle celle secondarie non acquose Li-O2 e stato dimostrato solo su scala di laboratorio poiché i meccanismi che ne regolano il funzionamento non sono stati ancora del tutto compresi. In particolare, la stabilità dei materiali utilizzati in questi dispositivi non è stata chiaramente dimostrata così come non sono note le possibili vie di degradazione delle componenti. Per esempio, solo recentemente l’ossidazione degradativa indotta dall’anione superossido O2- nei confronti dei materiali carboniosi catodici (SuperP Carbon) ed elettrolitici (solventi eterei) è stata analizzata [3]. Quindi, in questo lavoro sono state assemblate numerose celle Li-O2 utilizzando alcuni dei materiali più promettenti con lo scopo di testarne la reale possibilità di impiego e suggerire possibili alternative. Seguendo lo schema Li/LiTfO in TEGDME/C,O2 sono state effettuate ciclazioni galvanostatiche del dispositivo e sono stati analizzati post mortem i catodi attraverso misure XPS, FTIR e TEM. I risultati hanno mostrato che le ciclazioni elettrochimiche inducono sulla superficie catodica l’accumulo di precipitati organici e inorganici durante la scarica della cella che sono solo parzialmente rimossi durante la carica. La formazione di queste specie suggerisce quindi la presenza di reazioni parassitarie a causa della reattività della matrice del catodo carbonioso. Inoltre, sostituendo il SuperP con Au elettrodepositato su Ni foam, è stata valutata l’ossidazione dell’elettrolita, essendo il TEGDME l’unica fonte di carbonio (Li/LiTfO in TEGDME/Au@Ni, O2). Anche in questo caso gli spettri XPS e Raman confermano la presenza di precipitati organici/inorganici anche dopo pochi cicli ossido-riduttivi. Infine, la comprensione dei meccanismi di degradazione è stata ulteriormente chiarificata attraverso la computazione quanto-meccanica delle superfici di energia potenziale della reattività del DME rispetto all’anione superossido O2- nell’ambiente di reazione delle batterie Li-O2 [4]. [1] Imanishi N, Luntz A, Bruce P. “The Lithium Air Battery: Fundamentals”, New York (USA): Springer, 2014. [2] Chen F, Cheng J. Chemical Society Reviews. 2012, 41, 2172-2192. [3] Carboni M, Brutti S, Marrani AG. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2015, 7, 21751-21762. [4] Carboni M, Brutti S, Marrani AG, Spezia R. “Ether Degradation Thermodynamics in Li-O2 Redox Environments”, submitted to J. Phys. Chem. C