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Sintesi dell’elettrolita solido NGPS e delle sue varianti NMPX per batterie ioni Sodio

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Sintesi dell’elettrolita solido NGPS e delle sue varianti NMPX per batterie ioni Sodio

L’attività sperimentale svolta è stata indirizzata alla sintesi di elettroliti solidi utilizzabili in batterie allo stato solido. Per le batterie al litio i migliori conduttori ionici sono i tiofosfati a base di Li (Li10GeP2S12 (LGPS), conduttività ionica 12 mScm-1). Tuttavia, 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, inizialmente messa a punto per la specie LGPS e successivamente trasferita anche alla sintesi delle specie a base di sodio e con metalli diversi dal Ge.

Nel corso della precedente annualità, era stata svolta una dettagliata analisi bibliografica delle diverse categorie di elettroliti solidi a base di ioni litio (Li) e sodio (Na), come ad esempio polimeri, ossidi e solfuri. È stato dimostrato che i solfuri presentano una elevata conducibilità ionica anche alle basse temperature. Pertanto, questi materiali sono i candidati più promettenti per la realizzazione di elettroliti solidi da impiegarsi per la realizzazione delle batterie allo stato solido. Inoltre, nella fase di sperimentazione è stato messo a punto un protocollo standard per la loro sintesi. La preparazione e la miscelazione dei reagenti è stata eseguita 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 vengono sigillati sottovuoto all’interno di un tubo di quarzo, mediante fiamma, e quindi sottoposti a specifici trattamenti termici. Il protocollo è stato testato sulla specie denominata LGPS (Li10GeP2S12). La purezza del materiale sintetizzato è stata determinata con l’ausilio della tecnica di diffrazione dei raggi X (XRD). I dati sperimentali ottenuti hanno confermato la bontà del protocollo proposto.

L’attività svolta nel corso della presenta annualità è stata focalizzata sulla sintesi di elettroliti solidi partendo dai sistemi noti a base di ione litio per poi sintetizzare specie analoghe, ma con lo ione sodio in sostituzione dello ione litio e con altri metalli differenti dal germanio. Gli elettroliti solidi appartenenti a questa famiglia possono essere definiti dalla seguente formula: NMPS in cui N = Na, M = Ge, Sn, Al. 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, NGPS) è risultata instabile 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. Questa fase presenta la stessa stechiometria e lo stesso gruppo di simmetria della fase equivalente contenente stagno (Na11Sn2PS12) 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. La misura della conducibilità ionica di queste fasi, necessaria per una completa caratterizzazione dei materiali sintetizzati, verrà effettuata nella prossima annualità. La caratterizzazione consentirà di selezionare, tra i nuovi sintetizzati elettroliti solidi a base di Na, i candidati più promettenti con cui realizzare delle monocelle per la verifica delle loro prestazioni elettrochimiche.

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