L'attività di ricerca riguarda principalmente la fabbricazione di materiali innovativi per conversione elettrochimica di energia (ad esempio mediante celle a combustibile polimeriche), il loro studio strutturale, la caratterizzazione termica e funzionale.

Una parte rilevante della ricerca è dedicata allo sviluppo di metodi NMR / MRI per studi operando di interfacce e dispositivi per la conversione e l'immagazzinamento elettrochimico dell’energia.

Le celle a combustibile polimeriche operanti a bassa temperatura (<100 °C) sono i sistemi di conversione di energia chimica in energia elettrica più interessanti sia per il settore automobilistico (autobus, camion, navette) sia per applicazioni in rete. Allo stato attuale, lo stato dell'arte è rappresentato da dispositivi con elettrolita a conduzione protonica che utilizzano membrane di Nafion^TM. Queste celle a combustibile soffrono di diversi problemi, ad es. necessità di catalizzatori basati su metalli preziosi (platino e metalli del gruppo del platino (PGM)), avvelenamento del catalizzatore da CO soprattutto a bassa temperatura, costo elevato della membrana. Strategie alternative sono offerte da dispositivi a conduzione protonica operanti nell'intervallo 100-200 °C, che si basano su membrane di polibenzimidazolo e relativi materiali compositi. Ciò consente di ridurre il costo della membrana. Un'altra possibilità interessante è quella di spostarsi verso le membrane conduttrici di anioni (OH) che consentono sostituire i catalizzatori PGM con altri basati su elementi più comuni ed economici (ad esempio Fe). La linea di ricerca mira allo sviluppo e caratterizzazione di materiali a conduzione sia per protoni sia mediante ioni OH^-.

Allo stato attuale, il mercato dello stoccaggio di energia elettrochimica è dominato da batterie ricaricabili agli ioni di litio. Queste batterie, tuttavia, non hanno abbastanza densità di energia per soddisfare i requisiti del settore automobilistico e non sono sufficientemente sicure a causa dell'elevata volatilità e infiammabilità dell'elettrolita liquido organico. La richiesta di una maggiore densità di energia può essere risolta sostituendo l’anodo di grafite con uno di litio metallico, che consente di realizzare le cosiddette batterie al litio metallico (LMB). Queste batterie richiedono un elettrolita solido in grado di bloccare la formazione di dendriti di litio che possono causare cortocircuiti e guasti della batteria. La disponibilità di elettroliti solidi aiuterà anche a risolvere i problemi di sicurezza legati alla presenza dell’elettrolita liquido. Questa linea di ricerca mira a sviluppare elettroliti solidi basati su polimeri funzionali, per esempio. poli(etilene ossido) (PEO), o su nanoarchitetture polimero-ceramico.

La caratterizzazione funzionale dei materiali coinvolti in interfacce elettrochimiche, o anche in dispositivi completi, non può prescindere dal loro studio in condizioni il più vicino possibile al funzionamento reale (condizioni operando). Ciò richiede l'uso di tecniche di caratterizzazione non distruttive, per esempio raggi X, microscopie elettroniche, spettroscopie come RAMAN o NMR. Questa linea di ricerca ha lo scopo di sviluppare e applicare metodologie avanzate di spettroscopia NMR e micro-immagine (MRI) all'analisi operando di materiali per batterie, supercondensatori e celle a combustibile.

Riferimenti bibliografici

Prof. Piercarlo Mustarelli
Dott.ssa Chiara Ferrara

• Spettrometro NMR a stato solido 400 MHz con accessorio per microimmagine
• Stazione di prova per celle a combustibile
• Autoclave a alta pressione e alta temperatura per la sintesi di polimeri
• Stazione di test per batterie, analizzatori di risposta in frequenza, potenziostati/galvanostati (in collaborazione con Riccardo Ruffo)