La tecnologia LIFE+ GLEE

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L'idea innovativa

I Materiali Attivi Catodici (Cathodic Active Material, CAM) ad alte prestazioni e alta capacità, tra cui Litio Nichel Cobalto Alluminio (NCA), Litio Ferro Fosfato (LFP), a base di cobalto e ioni di litio (LCO) e Nichel Cobalto Manganese (NCM), sono un componente critico e fondamentale delle batterie a ioni di Litio (Li-Ion). Ecco perché gli sforzi del settore nello sviluppo batterie al litio di prossima generazione con maggiore potenza e densità di energia si sono tipicamente concentrati sulla ricerca di nuovi CAM ad alte prestazioni. Questi sviluppi tuttavia sono ostacolati dalla sensibilità del CAM all'umidità e dalla loro incapacità di resistere in ambienti aggressivi. 

La tecnologia alla base del progetto LIFE+ GLEE risolve brillantemente questo problema, fornendo un modo semplice per rivestire il CAM con uno strato protettivo. 

L'immediato vantaggio del CAM protetto è di consentire l'utilizzo di formulazioni a base acquosa nel processo di produzione del catodo. Inoltre, durante il funzionamento della batteria, il rivestimento protettivo aumenta la resistenza del CAM verso l'elettrolita.


La sfida tecnologica

Problema: la scarsa stabilità dei materiali attivi catodici (CAM) a contatto con l'acqua non permette la produzione di catodi con processi a base acquosa.

Soluzione: il rivestimento protettivo sulla superficie del materiale attivo impedisce l'interazione con l’acqua, lasciando inalterato il livello di prestazioni della batteria.

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Il processo di rivestimento per la protezione di un materiale sensibile all'acqua non è un compito difficile. La sfida nel caso di materiali attivi catodici consiste nel preservare il processo di intercalazione e deintercalazione degli ioni di litio all'interno della loro struttura, mantenendo così la piena funzionalità durante l'utilizzo della batteria. Per ottenere questo risultato, la tecnologia LIFE+ GLEE ha sviluppato un rivestimento permeabile agli ioni di Litio, rimanendo impermeabile all'acqua e alle altre sostanze aggressive. Queste proprietà innovative si possono ottenere soltanto attraverso uno stretto controllo del processo di deposizione del rivestimento.


Il processo di protezione LIFE+ GLEE del CAM

Le polveri di materiale attivo sono ricoperte utilizzando un processo di deposizione Electroless, il quale si compone di tre fasi:

  • Attivazione:  la superficie delle particelle deve essere attivata, e questo viene fatto attraverso l'assorbimento di un catalizzatore. Le polveri vengono disperse in una soluzione acquosa contenente, ad esempio, ioni di Palladio. Blocchi di atomi Palladio verranno a crearsi dopo l’assorbimento sulla superficie delle particelle, e fungeranno da siti attivi dove la riduzione degli ioni metallici avrà luogo, durante il processo di deposizione. Questo trattamento preparatorio è fondamentale per ottenere una deposizione efficiente nel passaggio seguente.
  • Deposizione dello strato protettivo:  lo strato protettivo viene depositato tramite una riduzione chimica controllata di ioni metallici, dispersi in una soluzione acquosa, sulla superficie delle polveri. Le particelle attivate durante la fase precedente vengono immerse nel bagno di deposizione. La soluzione acquosa in cui le polveri sono ora disperse contiene ioni metallici (del metallo che si desidera depositare) e un agente riducente. Quest'ultimo, attraverso la sua ossidazione, è in grado di fornire gli elettroni necessari per effettuare il processo di riduzione di ioni metallici. La progressiva riduzione di ioni metallici creerà uno strato continuo sulla superficie delle particelle disperse.
  • Finalizzazione del rivestimento tramite trattamento termico:  al fine di consentire il loro uso nella produzione di catodi per batterie Li-Ion, le polveri devono essere asciugate al termine del processo di rivestimento. Una volta che il processo di deposizione è stato completato, le particelle vengono filtrate dal bagno elettrolitico ed essiccate a temperatura elevata, in contatto con l'aria a pressione atmosferica. 


Ora le polveri sono protette e pronte per essere utilizzate nella produzione di una batteria agli ioni di litio.

Cos'è il processo Electroless? 

  • Un processo di metallizzazione basato su riduzione autocalitica di ioni metallici 
  • Ricopre substrati conduttivi e non conduttivi
  • Produce rivestimenti conformi
  • Il substrato può essere di qualsiasi geometria e forma


La deposizione electroless (ELD) è una tecnica di metallizzazione elettrochimica che permette la riduzione di ioni metallici da una soluzione acquosa, senza la necessità di una fonte di alimentazione esterna. La ELD è anche conosciuta come deposizione autocatalitica, in quanto il metallo ridotto al suo stato elementare agisce da catalizzatore per la riduzione di ioni metallici dispersi nel bagno di deposizione. I componenti più importanti di un bagno acquoso di deposizione ELD sono il sale del metallo da depositare (fonte di ioni metallici) e l'agente riducente (fonte di elettroni). La reazione di ossidoriduzione che ha luogo nel sistema è composta dall’ossidazione dell'agente riducente, la quale genera gli elettroni necessari per la riduzione degli ioni metallici dispersi nel bagno di deposizione. Tra i metalli che possono essere depositati con questa tecnica troviamo oro, argento, rame, nichel. Supporti in vetro, metalli, polimeri e ossidi possono essere rivestiti con la ELD, con poche limitazioni sulla geometria del substrato, poiché la deposizione avviene ovunque la soluzione di deposizione bagna il substrato.


Configurazione di una batteria a ioni di litio 


Nella sua configurazione più comune la batteria al litio è formata da un catodo, un anodo e un separatore a divisione dei due. Il meccanismo di funzionamento della batteria consiste nella migrazione ciclica di ioni di litio tra i due elettrodi (anodo e catodo).

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I CAM sono depositati su sottili lamine metalliche che fungono da collettore di corrente (tipicamente Cu e Al) con l'uso di un legante polimerico, tipicamente polivinilidenfluoruro (PVDF); un additivo conduttivo (CA), generalmente carbon black o grafite, viene utilizzato per aumentare la conduttività elettrica dell’elettrodo.

Gli ioni di litio si spostano nell’elettrolita andando ad interagire con anodo e catodo: i materiali attivi devono essere in grado di intercalare e deintercalare ioni di litio all'interno della loro struttura o devono essere in grado di reagire in modo reversibile con gli ioni di Litio. L'elettrolita, che si trova all’interno della batteria, è tipicamente un liquido con sali disciolti la cui funzione è di  aumentarne la conducibilità ionica. L'elettrolita deve avere una buona conducibilità ionica ma non elettrica, in quanto ciò causerebbe un corto circuito interno.

Fisicamente l'anodo e il catodo sono separati per prevenire un corto circuito interno, e sono circondati dall’elettrolita. Nei modelli di batteria standard, un separatore viene utilizzato per dividere l'anodo e il catodo. Il separatore, tuttavia, è permeabile all’elettrolita per mantenere la conducibilità ionica desiderata. 

I materiali a base di carbonio (additivo conduttivo) sono utilizzati per migliorare la conducibilità dell’elettrodo occupando le porosità lasciate dalle particelle di CAM, formando una rete continua.

All’interno dell’elettrodo, il ruolo del legante polimerico è quello di collegare insieme le diverse componenti dell'elettrodo, in modo tale da formare una rete meccanicamente e chimicamente stabile.

Il legante più utilizzato all’interno dei catodi è il PVDF. Si tratta di un polimero parzialmente fluorurato ad alte prestazioni, caratterizzato da elevata stabilità termica, chimica e elettrica. Questo polimero garantisce buone prestazioni elettrochimiche ed eccellente adesione tra i materiali componenti l’elettrodo e il collettore di corrente.