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Progettazione e realizzazione di una mono cella a ioni Sodio allo stato solido

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Progettazione e realizzazione di una mono cella a ioni Sodio allo stato solido

L’attività sperimentale svolta è stata indirizzata alla sintesi di elettroliti solidi utilizzabili in batterie a ioni sodio allo stato solido. La loro elevata reattività con H2O e O2 rende la loro sintesi particolarmente complicata. Nei laboratori RSE è stata ottimizzata una procedura di sintesi per tali elettroliti solidi applicata alla sintesi di specie diverse della famiglia, denominata NMPS in cui N = Na, M = Ge, Sn, Al. Nel corso della sperimentazione sono stati realizzati diversi elettroliti solidi costituiti da una chimica differente in funzione del metallo utilizzato; in particolare il Ge, da cui si è partiti, è stato sostituito con i seguenti metalli: Sn, Al e Si. I vari materiali sono stati impiegati per la realizzazione di una mono cella interamente allo stato solido.

L’attività sperimentale svolta è stata indirizzata alla sintesi di elettroliti solidi utilizzabili in batterie a ioni sodio allo stato solido. Tra le specie considerate (come ad esempio polimeri, ossidi e solfuri), ci si è concentrati sulla sintesi dei solfuri che presentano una elevata conducibilità ionica anche alle basse temperature e, pertanto, possono essere considerati i candidati più promettenti per questo impiego. Inoltre, nella fase di sperimentazione è stato perfezionato il protocollo standard per la loro sintesi, particolarmente complicata data la loro elevata reattività con H2O e O2. La preparazione e la miscelazione dei reagenti sono eseguite in atmosfera inerte (Ar) all’interno di una camera a guanti (glove box). Le polveri dei precursori vengono miscelate con l’ausilio di un mortaio d’agata e porzioni della miscela solida vengono sottoposte ad una pressatura per la realizzazione di pastiglie (pellet). I pellet, sigillati sottovuoto all’interno di un tubo di quarzo, mediante fiamma, sono sottoposti a specifici trattamenti termici.
Gli elettroliti solidi appartenenti alla famiglia dei solfuri possono essere definiti dalla seguente formula: NMPS in cui N = Na, M = Ge, Sn, Al, di cui la specie Na10GeP2S12 (NGPS) rappresenta il riferimento, essendo speculare alla specie Li10GeP2S12 (LGPS), ottenuta dalla semplice sostituzione di Li con Na. Nel corso della sperimentazione si sono potuti sintetizzare alcuni di questi materiali, di cui sono state determinate le strutture cristalline, il grado di purezza e la conduttività ionica. I principali risultati ottenuti sono di seguito riassunti. Per gli elettroliti solidi contenenti Ge, la fase ottenuta dalla semplice sostituzione di Li con Na (Na10GeP2S12) è risultata instabile già nella precedente annualità e pertanto non è stato possibile caratterizzarla. Al contrario, è stata sintetizzata una fase stabile con diverso gruppo di simmetria e con diversa stechiometria, corrispondente alla specie Na11Ge2PS12. È stata anche realizzata la specie Na11Sn2PS12 che presenta la stessa stechiometria e lo stesso gruppo di simmetria della fase equivalente contenente stagno (ed è caratterizzata da un volume del reticolo cristallino più grande rispetto all’elettrolita a base di Ge. Inoltre, è stato dimostrato che nella specie Na11Sn2PS12 l’alluminio (Al) può sostituire sino al 50% dello Sn (Na11AlSnPS12). Il volume del reticolo cristallino e la conducibilità ionica tendono a diminuire con l’aumento del contenuto di Al all’interno del materiale. In aggiunta, è stato possibile sostituire lo Sn con silicio (Si); la sostituzione di meno del 50% dello Sn porta alla formazione di una nuova fase con formula Na11Si0.2Sn1.8PS12. Con solo Si, e in assenza totale di Sn, ha luogo la formazione di nuovi elettroliti allo stato solido aventi formula generale Na11.7P0.27Si2.73S12. Nel corso della presente annualità sono state sintetizzate diverse tipologie di elettroliti solidi, poi utilizzati per la realizzazione di mono celle; la realizzazione della mono cella prevede l’impiego di un foglio di sodio metallico come materiale elettrodico anodico, mentre il catodo viene ottenuto realizzando una miscela solida tra il solfuro di titanio (TiS2) e l’elettrolita sintetizzato presso i laboratori di RSE.

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