LINEA DI ATTIVITÀ
LA2.4, LA2.6, LA2.8
Attrezzatura/Strumenti principali utilizzati
Laboratorio sintesi liquidi ionici, cappa chimica, miscelatore magnetico, aspiratore acque lavaggio, stufa in vetro sotto vuoto, glove-box.
Tipo di misure che sono possibili da realizzare in questo laboratorio, con questo strumento/i
Sintesi/purificazione liquidi ionici e componenti elettrolitici.
Applicazione
Liquidi ionici.
Descrizione risultati raggiunti SAL2
Durante la 2a annualità (terminata al SAL2) nell’ambito della linea LA2.4., è stata verificata la fattibilità di un processo innovativo (denominato one-pot) per la sintesi di liquidi ionici mediante test/indagini eseguiti in laboratorio, anche al fine di valutarne la possibilità di esecuzione eseguito in continuo e, pertanto, di automazione. (I liquidi ionici sono sali fusi alla temperatura ambiente proposti come solventi innovativi, non volatili e non infiammabili, al fine di incrementare il tenore di sicurezza e affidabilità delle batterie al litio). Sono stati investigati differenti parametri operativi e particolare attenzione è stata posta alla riproducibilità dei risultati ottenuti. Il liquido ionico PYR14TFSI, largamente investigato e proposto per batterie al litio, è stato selezionato in qualità di materiale di riferimento.
La reazione one-pot può essere eseguita in un unico stadio, utilizza acqua come unico solvente di processo ed è auto-sostenibile ovvero non necessità di alcun riscaldamento esterno (sfruttando il calore derivante dalla dissoluzione esotermica dei reagenti nel solvente acquoso). I risultati ottenuti hanno dimostrato che il processo one-pot esibisce una eccellente riproducibilità e può essere facilmente portato a completamento in mezzo acquoso semplicemente regolando la temperatura iniziale del processo, ovvero variando la quantità di solvente acquoso. Ad una temperatura iniziale (Tin) di 47 °C (misurata all’inizio della reazione), è stato registrato un valore massimo, raggiunto dalla temperatura durante la reazione, pari a 80 °C. In queste condizioni operative, la resa del processo raggiunge il massimo valore possibile (95 %) dopo un tempo di reazione pari a 30 minuti. Tempi di reazione maggiormente prolungati non comportano alcun incremento della resa del processo. Tuttavia, la frazione di liquido ionico dissolta nella fase acquosa può essere completamente recuperata dalla fase acquosa. La purificazione del liquido ionico (cruciale per l’applicazione in dispositivi elettrochimici) è stata condotta mediante semplici lavaggi in acqua e essiccazione sotto vuoto (rimozione umidità). Queste caratteristiche, in combinazione con elevata sostenibilità, minor costo, ridotto tempo di processo, facilità di esecuzione e flessibilità (possibilità di sintetizzare svariate tipologie di liquido ionico seguendo la medesima procedura), sono di particolare rilevanza anche nell’ottica di possibili applicazioni industriali.
Il processo one-pot, considerate pertanto le caratteristiche complessive di esecuzione, può essere condotto in continuo (senza interruzioni) ed è suscettibile di automazione.
REFERENTE/I
Giovanni Battista Appetecchi – ENEA – Casaccia – Dipartimento SSPT
Via Anguillarese 301 Roma
FIGURE CON RELATIVE DIDASCALIE ESAUSTIVE
Figura 1
Didascalia
Schema del processo complessivo one-pot, eseguito in solvente acquoso, per la sintesi di liquidi ionici idrofobici. Area tratteggiata rossa (1): sintesi one-pot del liquido ionico. Area tratteggiata verde (2): purificazione liquido ionico. Area tratteggiata blu: anidrificazione liquido ionico. ➝ = componenti liquidi. ➜ = componenti solidi.
Figura 2
Didascalia
Evoluzione della temperatura di processo (pannello A) e della resa complessiva (pannello B) in funzione del tempo di processo per differenti batch di liquido ionico PYR14TFSI ottenuti mediante reazione one-pot a partire da analoga temperatura iniziale (Tin = 47 °C) dei reagenti.
Deliverable consegnati al SAL2
Deliverable D2.5 (Rapporto Finale).
Livello di innovazione
Nel corso della LA2.4 è stato ideato e messo a punto un processo innovativo, potenzialmente automatizzabile, per la sintesi eco-sostenibile dei liquidi ionici. Questo processo, denominato one-pot, impiega acqua deionizzata come unico solvente di processo, può essere eseguito mediante un unico stadio di reazione in tempi molto più rapidi di quelli richiesti dalle procedure standard di sintesi ed è auto-sostenibile ovvero non necessita energia per il procedere della sintesi. Un siffatto processo comporta un minore consumo di energia che, unitamente al basso costo del solvente (acqua), produce un marcato abbattimento dei costi di produzione. Il processo one-pot può essere suscettibile di automazione data la relativa semplicità di esecuzione ed è dotato di notevole flessibilità, ovvero può essere impiegato per la preparazione di una larga varietà di famiglie di liquidi ionici (principalmente idrofobici ma anche idrofilici) che possono essere costituiti da svariati cationi e anioni e, al contempo, consente di variare largamente la natura/tipo dei gruppi funzionali legati agli ioni. Il processo one-pot può essere facilmente eseguito in continuo ed è, potenzialmente suscettibile di automazione (sia lo stadio di sintesi che quelli di purificazione non presentano particolari problematiche e possono essere eseguiti distintamente in successione).I processi di sintesi per liquidi ionici, eseguiti nella quasi totalità dei laboratori accademici, impiegano solventi organici (acetone, etile acetato, acetonitrile, diclorometano) tossici, volatili e infiammabili (oltre ad esibire un certo costo). L’impiego di acqua come unico solvente di processo consente di ridurre sensibilmente l’impatto ambientale. Inoltre, i processi riportati in letteratura non possono essere eseguiti in un unico step e sono maggiormente energivori poiché necessitano di riscaldamento per essere sostenuti. Queste caratteristiche semplificano il processo di sintesi (rispetto a processi omologhi riportati in letteratura), rendendolo suscettibile di automazione, e, unitamente all’impiego di acqua, decrescono il costo finale del prodotto ottenuto.
Disseminazione
Conferenza: 7th ICNaB 2022 (International Conference on Sodium Batteries), Ulm (Germania), 5-8 Dicembre 2022.
Autori: G. Maresca, S. Brutti, G.B. Appetecchi.
Titolo: Ionic liquid electrolytes for sodium battery systems.
