By 2025, 25% of the cars sold worldwide are projected to be an electrical car. Growing awareness by governments and customers that electrical cars in conjunction with renewable energy can improve local living conditions and the conviction that this technology could shake up automobile industry are fueling the ongoing rise of battery research. Thanks to its high capacity (Ah/L), Li-ion batteries currently shape the main development route. In this technology, where a Li-ion is exchanged between cathode and anode, the typical anode material is carbon or Li4Ti5O12. Employing Li metal as anode would drastically increase both the capacity and the output potential of the battery cell, but is inhibited by parasitic reactions at the Li surface limiting cell performance. Moreover, large Li dendrites grow on the anode during cycling, ultimately leading to dangerous shorting of the cell. Striking possible alternatives are Li- alloys such as Li-Al or Li-In. Those Li-alloys are studied in order to see if they can bypass these mentioned issues while maintaining high capacity and cell voltage. In this work electrochemical behavior of Li-alloys as function of composition are studied. Different alloys and different techniques to fabricate them will be compared. The stability of the alloy in combination with appropriate electrolytes will be determined by standard electrochemical measurements. Focus will be on the interaction with ionic liquids to produce solid electrolytes, another key enabler to obtain safe and high capacity batteries. Charge and discharge behavior and cycling performance will be evaluated in battery cell. Final goal of this thesis is to deliver an anode that can serve in the process of reference for solid-state batteries.

Nel 2025, 25% dei veicoli venduti a livello globale saranno auto con propulsione elettrica. La crescente attenzione fornita dai governi e dai consumatori sui veicoli elettrici in combinazione con energie rinnovabili e sul loro impatto nel contrastare il cambiamento climatico in atto dovuto alle emissioni di gas serra, ha portato una grande scossa al settore automobilistico e dei sistemi di accumulo di energia che sta guidando la crescente ricerca nelle batterie. Grazie alla sua alta capacità (Ah/L) le batterie agli ioni litio sono al centro di questa rivoluzione. In questa tipologia di batterie dove gli ioni di litio sono scambiati tra anodo e catodo, il materiale tipico per l’utilizzo dell’anodo è carbonio o Li4Ti5O12. Utilizzare al suo posto litio metallico come anodo incrementerebbe drasticamente sia la capacità sia il potenziale di utilizzo della batteria, ma è inibito da reazioni secondarie che avvengono alla superficie del Li, il che ne limita le prestazioni. Inoltre la formazione di dendriti durante i cicli di carica e scarica portano al corto circuito della batteria con rischiose conseguenze. Potenziali alternative possono essere leghe di litio come Al-Li o In-Li. Queste leghe sono studiate in questa tesi per monitorare la presenza delle reazioni indesiderate che avvengono nel litio pur mantenendo alte capacità e voltaggio. In questo elaborato viene studiato il comportamento elettrochimico delle leghe di litio in funzione della loro composizione. Diverse leghe e diversi metodi di produzione sono confrontati. La stabilità di queste leghe in combinazione con vari elettroliti è studiata per via elettrochimica. Particolare attenzione è data nell’interazione con liquidi ionici per la produzione di elettroliti allo stato solido che permettono la produzione di batterie con alti standard di sicurezza e alte capacità.

Lithium alloys as a reliable anode materials for Li-ion batteries

CHENET, MARCO
2017/2018

Abstract

By 2025, 25% of the cars sold worldwide are projected to be an electrical car. Growing awareness by governments and customers that electrical cars in conjunction with renewable energy can improve local living conditions and the conviction that this technology could shake up automobile industry are fueling the ongoing rise of battery research. Thanks to its high capacity (Ah/L), Li-ion batteries currently shape the main development route. In this technology, where a Li-ion is exchanged between cathode and anode, the typical anode material is carbon or Li4Ti5O12. Employing Li metal as anode would drastically increase both the capacity and the output potential of the battery cell, but is inhibited by parasitic reactions at the Li surface limiting cell performance. Moreover, large Li dendrites grow on the anode during cycling, ultimately leading to dangerous shorting of the cell. Striking possible alternatives are Li- alloys such as Li-Al or Li-In. Those Li-alloys are studied in order to see if they can bypass these mentioned issues while maintaining high capacity and cell voltage. In this work electrochemical behavior of Li-alloys as function of composition are studied. Different alloys and different techniques to fabricate them will be compared. The stability of the alloy in combination with appropriate electrolytes will be determined by standard electrochemical measurements. Focus will be on the interaction with ionic liquids to produce solid electrolytes, another key enabler to obtain safe and high capacity batteries. Charge and discharge behavior and cycling performance will be evaluated in battery cell. Final goal of this thesis is to deliver an anode that can serve in the process of reference for solid-state batteries.
DEBUCQUOY, MAARTEN
VEREECKEN, PHILIPPE
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
16-apr-2019
2017/2018
Nel 2025, 25% dei veicoli venduti a livello globale saranno auto con propulsione elettrica. La crescente attenzione fornita dai governi e dai consumatori sui veicoli elettrici in combinazione con energie rinnovabili e sul loro impatto nel contrastare il cambiamento climatico in atto dovuto alle emissioni di gas serra, ha portato una grande scossa al settore automobilistico e dei sistemi di accumulo di energia che sta guidando la crescente ricerca nelle batterie. Grazie alla sua alta capacità (Ah/L) le batterie agli ioni litio sono al centro di questa rivoluzione. In questa tipologia di batterie dove gli ioni di litio sono scambiati tra anodo e catodo, il materiale tipico per l’utilizzo dell’anodo è carbonio o Li4Ti5O12. Utilizzare al suo posto litio metallico come anodo incrementerebbe drasticamente sia la capacità sia il potenziale di utilizzo della batteria, ma è inibito da reazioni secondarie che avvengono alla superficie del Li, il che ne limita le prestazioni. Inoltre la formazione di dendriti durante i cicli di carica e scarica portano al corto circuito della batteria con rischiose conseguenze. Potenziali alternative possono essere leghe di litio come Al-Li o In-Li. Queste leghe sono studiate in questa tesi per monitorare la presenza delle reazioni indesiderate che avvengono nel litio pur mantenendo alte capacità e voltaggio. In questo elaborato viene studiato il comportamento elettrochimico delle leghe di litio in funzione della loro composizione. Diverse leghe e diversi metodi di produzione sono confrontati. La stabilità di queste leghe in combinazione con vari elettroliti è studiata per via elettrochimica. Particolare attenzione è data nell’interazione con liquidi ionici per la produzione di elettroliti allo stato solido che permettono la produzione di batterie con alti standard di sicurezza e alte capacità.
Tesi di laurea Magistrale
File allegati
File Dimensione Formato  
2019_4_Chenet.pdf

non accessibile

Descrizione: Testo della tesi
Dimensione 31.87 MB
Formato Adobe PDF
31.87 MB Adobe PDF   Visualizza/Apri

I documenti in POLITesi sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.

Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/147107