PREMIO CLAUDIO BONIVENTO

Questa tesi verte sullo sviluppo e la caratterizzazione di nuovi materiali polimerici nanostrutturati per applicazioni nel campo dell’accumulo energetico, del recupero dell’energia dissipata e della sensoristica. Queste nanostrutture possono incrementare la risposta specifica dei componenti: dalla riduzione della resistenza interna delle batterie Litio-ione all’incremento della risposta elettrica specifica di materiali per il recupero dell’energia.

L’incremento della potenza specifica delle batterie Litio-ione rappresenta una delle maggiori sfide per lo sviluppo di sistemi di taglia elevata, per applicazioni nel settore “automotive” e per applicazioni stazionarie, come l’accumulo in rete o la generazione di energia da fonte rinnovabile. Infatti le prestazioni elettrochimiche ad elevate correnti decadono significativamente, limitando fortemente la competitività di tali accumulatori al di fuori delle applicazioni portatili, tipiche dell’elettronica di consumo. Inoltre il recupero dell’energia dissipata rappresenta una delle strategie più promettenti per lo sviluppo di tecnologie a basso impatto ambientale e per la riduzione dei consumi energetici. Infine sensori di impatto o sistemi per l’”health monitoring” realizzati mediante tali nanostrutture possono contribuire sensibilmente allo sviluppo di “smart materials”.

La realizzazione di tali dispositivi si è basata sull’applicazione dell’innovativa tecnica dell’electrospinning. E’ noto in letteratura come separatori nanofibrosi, prodotti mediante questa tecnica, possano aumentare l’assorbimento di elettrolita all’interno di batterie Litio-ione, riducendo quindi la resistenza interna della batteria. Tuttavia la resistenza meccanica di tali separatori non è sufficientemente elevata per garantire una scalabilità industriale del processo. In questa tesi sono state adottate due strategie per poter realizzare separatori nanofibrosi con una resistenza meccanica tale da sopportare le fasi di assemblaggio della batteria: disperdere nanoadditivi all’interno delle fibre che compongono il separatore o utilizzare un polimero di supporto ad alta resistenza a trazione. Il metodo sviluppato per la dispersione delle nanoparticelle, che si avvale di una sorgente al plasma, è assolutamente innovativo ed è stato oggetto di un brevetto internazionale. I risultati hanno mostrato in entrambi i casi un notevole incremento delle proprietà meccaniche dei separatori, così da renderne possibile un impiego nella produzione industriale di batterie. La caratterizzazione elettrochimica di tutti i separatori realizzati ha inoltre mostrato la superiorità delle prestazioni dei separatori nanostrutturati rispetto a quelli commerciali.

Inoltre, alcuni studi hanno dimostrato la possibilità di realizzare materiali polimerici nanofibrosi a base di polimeri fluorurati, con proprietà piezoelettriche migliori di quelle del materiale realizzato commercialmente in forma di film. Gli studi presenti in letteratura, tuttavia, sono molto recenti e ancora incompleti, in particolare per quanto riguarda la caratterizzazione dei materiali e lo studio delle proprietà elettriche. Questo lavoro ha apportato notevoli passi in avanti nella comprensione della risposta elettromeccanica di tali membrane elettrofilate, rispetto alle scarse informazioni disponibili in letteratura. E’ stato infatti evidenziato che oltre all’effetto piezoelettrico, tali membrane mostrano un comportamento da elettrete e una spiccata triboelettricità. Questi contributi, seppur di natura fisica differente, possono essere tutti sfruttati con successo per incrementare la quantità di energia recuperata, che può essere stoccata in sistemi di accumulo o utilizzata direttamente per alimentare dispositivi elettronici a basso consumo o sensori.