Diapositiva 1 - Dipartimento di Chimica

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Si tratta di dispositivi dotati di
un anodo in litio e un catodo su
cui viene flussata l’aria presa
dall’ambiente circostante.
Le batterie Li/Aria prevedono lo
sviluppo
di
corrente
dall’ossidazione del litio, tale
reazione
avviene
mediante
l’ossigeno dell’aria:
2 Li + ½ O2  Li2O
2 Li + O2  Li2O2
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Limitato numero
di cicli di
carica-scarica
Autonomia
attuale
di soli 60/100
Km
Difficoltà di
rendere
reversibile il
processo di
conversione
dell’ossido di litio
in metallo puro
Tali limitazioni ne ostacolano
fortemente l’utilizzo sul mercato.
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La nostra esperienza si colloca nello studio e
nella produzione di uno dei possibili
elettroliti per le batterie litio/aria, in
particolare delle miscele di liquidi ionici con
solventi organici e sali di litio in percentuale
variabile; questo progetto è finalizzato a
migliorare la conduttività degli elettroliti
senza compromettere la loro stabilità (per
esempio la non infiammabilità).
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I liquidi ionici sono composti
chimici costituiti esclusivamente
di ioni e di loro combinazioni, ma
a differenza dei sali sono liquidi
a temperatura ambiente anche
senza la presenza di un solvente
molecolare.
Una definizione generale dei
liquidi ionici è quella che li
descrive come dei sali che
hanno punti di fusione inferiore
al
punto
di
ebollizione
dell'acqua.
Il liquido ionico utilizzato in questa esperienza è
N-etil(metileter)-N-metil pirrolidinio bistrifluorometansolfonimmide.
(PYRA1,201 o IL).
catione
pirrolidinio
anione
trifluorosolfonimmide
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Mix60 LiTFSI
Composizione Mix60 LiTFSI:
sono stati preparati
60 ml di mix composti da:
60% (36 ml) di IL
40% (24 ml) dalla soluzione
1M del sale LiTFSI in EC:DEC
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Tutte le preparazioni sopra riportate sono state effettuate in dry-box.
Preparazione dei reagenti per il Mix60 LiTFSI
1. Preparazione di 40 ml della miscela EC:DEC 1:1 mol
Sono stati pesati:
30g di EC
40,2435g di DEC
2. Preparazione soluzione 1M del sale LiTFSI
Si sciolgono 6,8890g di LiTFSI in 24 ml della soluzione precedente.
Mix60
60% (6 ml) di IL
Composizione Mix60:
sono stati preparati 10 ml di mix composti da:
40% (4 ml) dalla
soluzione EC:DEC
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Tutte le preparazioni sopra riportate sono state effettuate in dry-box.
Preparazione della membrana PVdF (30%W) e IL (70%W)
Polivinilidenfluoruro (PVdF)
N-etil(metileter)-N-metil
pirrolidinio
bistrifluorometansolfonimmide
. (PYRA1,201 o IL)
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Tutte le preparazioni sopra riportate sono state effettuate in dry-box.
Procedimento:
0,93g di IL
Sono stati pesati
0,4g di PVdF
Si scioglie il PVdF in acetone agitando con
un’ancoretta magnetica.
Quando tutto il PVdF risulta sciolto si aggiunge
il liquido ionico e sempre mantenendo in
agitazione si scalda a 100°C. A questa
temperatura il liquido bolle e si ha
l’evaporazione dell’ acetone.
Dopo aver eliminato le bolle si può procedere a
travasare il liquido nello stampo.
Con particolare
attenzione e cautela in
quanto la membrana è
estremamente delicata!
In seguito ad una notte di completa evaporazione
dell’acetone e totale polimerizzazione del PVdF,
si può procedere al distacco della membrana
dallo stampo.
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Dry Box (o Glow Box)
Particolare camera al cui interno viene
immesso dell’argon che permette di
lavorare e maneggiare sostanze che a
contatto con l’ossigeno e l’acqua
diventano instabili portando per
esempio ad una combustione.
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Solartron
Le misure di conducibilità vengono
effettuate tramite un analizzatore di
risposta in frequenza (FRA, Solartron
1255) e un’ interfaccia elettrochimica
(Solartron 1287). Questo strumento è in
grado di misurare la resistenza, poi
attraverso la seguente equazione è
possibile calcolare la conducibilità:
σ= k/R
Dove:
σ rappresenta la conducibilità
misurata in Ω-1 cm-1,
k è la costante di cella ottenuta
tramite taratura, espressa in cm-1,
R è la resistenza misurata in Ω.
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Le resistenze sono state misurate variando la temperatura del
campione in modo crescente da -20°C a 80°C e viceversa.
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Gli elettroliti
utilizzati devono
essere innanzi tutto
stabili in un certo
intervallo di
potenziale.
Infatti il campo di
stabilità elettrochimica di
un elettrolita è
l'intervallo di tensione,
entro il quale non si
verificano fenomeni di
decomposizione ai danni
dell'elettrolita stesso.
Esso è un
parametro molto
importante per
giudicarne
l'impiego in un
dispositivo pratico.
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Sono state effettuate delle misure con un analizzatore di risposta in
frequenza (FRA, Solartron 1255) e un’interfaccia elettrochimica
(Solartron 1287) su una membrana di PVdF IL2 LiTFSI 1M 70-30
SBA15 in cui veniva variato il potenziale per osservare il
cambiamento di stabilità.
Dal grafico ottenuto si
può osservare che la
membrana
risulta
lavorare in condizioni
di stabilità fino a circa
4.5 V, oltre il quale
subisce un drastico
aumento del flusso di
corrente
al
suo
interno,
causato
probabilmente da una
anomalia dovuta al
valore di potenziale
troppo elevato.
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180
Capacità (mAh/g)
160
140
120
100
80
carica
scarica
60
0
2
4
6
8
10
12
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numero di cicli
Il grafico a lato rappresenta la capacità di una cella (anodo,
elettrolita, catodo) durante i cicli di carica-scarica. All’inizio la
differenza di capacità risulta differente perchè la cella si doveva
ancora “ambientare” al processo a cui viene sottoposta.
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Durante lo stage:
Siamo entrati a diretto
contatto con
problematiche di
ricerca in campo
chimico.
Abbiamo imparato a
conoscere i liquidi
ionici, le loro proprietà
ed i loro campi di
applicazione.
Abbiamo realizzato delle
celle che mettessero in
evidenza le promettenti
proprietà dei dispositivi
preparati per applicazioni
elettrochimiche.
I risultati ottenuti sui
dispositivi da noi
preparati sono
stati buoni, e ben si
confrontano con
quelli acquisiti
utilizzando
altri liquidi ionici,
studiati
precedentemente
presso il
dipartimento
di chimica.
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