CERAMIC-IN-POLYMER AND POLYMER-IN-CERAMIC SOLID-STATE ELECTROLYTES FOR LITHIUM-METAL BATTERIES

Even if the continuous improvements experienced by lithium-ion batteries (LIBs) in the past decades have enabled a mass scale production of reliable and performant energy storage devices, the energy density of this system still falls short from the industry requirement, particularly for the specications required by the automotive sector. Consequently, a lot of interest is currently devoted to the development of new categories of energy storage devices able to store and deliver higher quantities of energy for unit of mass and volume. A promising alternative is represented by lithium metal batteries (LMBs), i.e. rechargeable devices that exploit an anode of metallic lithium in place of the graphitic one commonly employed in LIBs. This replacement greatly improves the gravimetric and volumetric energy density of the batteries, simultaneously enabling the use of high-capacity conversion cathodes such as sulphur. However, the high reactivity of metallic Li and the inhomogeneous deposition of Li-ions on its surface, which leads to the growth of dangerous dendrites responsible of shortcircuiting, are hindering the implementation of LMBs based on liquid electrolytes. As a consequence, great attention is presently directed towards the development of solid state electrolytes (SSEs) that, possessing an improved mechanical stability coupled with reduced flammability, can mitigate the aforementioned shortcomings. Therefore, my thesis focused on the development of next-generation of composite solid-state electrolytes able to couple the benifical properties of polymer and ceramic materials.

Anche se i continui miglioramenti registrati dalle batterie agli ioni di litio (LIB) negli ultimi decenni hanno permesso la produzione di dispositivi di accumulo dell'energia affidabili e performanti, la densità di energia di questo sistema è ancora inferiore ai requisiti dell'industria, in particolare per le specifiche richieste dal settore automobilistico. Di conseguenza, molto interesse è attualmente rivolto allo sviluppo di nuove categorie di dispositivi di accumulo dell'energia in grado di immagazzinare e fornire maggiori quantità di energia per unità di massa e volume. Un'alternativa promettente è rappresentata dalle batterie al litio metallico (LMB), ossia dispositivi ricaricabili che sfruttano un anodo di litio metallico al posto di quello grafitico comunemente impiegato nelle LIB. Questa sostituzione migliora notevolmente la densità energetica delle batterie, consentendo al contempo l'utilizzo di catodi di conversione ad alta capacità come lo zolfo. Tuttavia, l'elevata reattività del Li metallico e la deposizione disomogenea di ioni Li sulla sua superficie, che porta alla crescita di pericolose dendriti responsabili di cortocircuiti, ostacolano l'implementazione delle LMB basate su elettroliti liquidi. Di conseguenza, una grande attenzione è attualmente rivolta allo sviluppo di elettroliti allo stato solido (SSE) che, possedendo una migliore stabilità meccanica unita a una ridotta infiammabilità, possono mitigare le suddette carenze. Pertanto, la mia tesi si è concentrata sullo sviluppo di una nuova generazione di elettroliti compositi, in grado di combinare le promettenti caratteristiche fornite da elettroliti ceramici e polimerici.