Materials for high added-value energy storage devices

Over the last few years we have witnessed the birth of an unprecedented technological-social revolution which is changing the way of living and managing transport and, in general, the mobility concept. The development of new rechargeable batteries is having a constantly increasing impulse, with the two fold aim of optimizing the electrochemical technologies of energy storage and that of substituting fossil fuels in the transport industry. Li-ion batteries have rapidly conquered the global market thanks to their reduced weight and high performances. However, lithium reserves are limited and, geographically, not uniformly distributed, thus hindering the process of cost reductions. This situation brings about the necessity of developing efficient technologies for its recovery and recycle and to look for new smart and specifically tailored materials to enhance the performances of the cells In my dissertation, I aim at framing the multifaceted universe of batteries and proposing some solutions that can, at least partially, meet the above-mentioned conditions. Being the lithium-ion technology predominant today, I have tried to draw the attention to innovative materials for electrodes, proposing at the same time a structuring of the same in order to enhance their performance. To this purpose, electrospinning techniques have been used to carefully examine the morphology of electrodes in combination with the use of red phosphorus as performance-increasing material. Seeking materials capable of replacing lithium, in order to alleviate the problem of material supply on the one hand and to reduce the ecological footprint on the other hand, sodium batteries have been studied, in particular, anodes derived from renewable sources. Algae have been selected as source of hard carbon, a carbonaceous material largely utilized for anodes. In each case study, both the aspects more related to chemistry and synthesis and characterization of the materials and the electrochemical and technological working principles have been investigated for the device designed. Among the most promising elements that can replace lithium in ion batteries is, beyond doubt, aluminium. This element seems eligible first because of its high oxidation number, secondly, its elevated theoretical capacity in the cyclization phase. In a part of my research, I have analysed a specific topic related to the use of aluminium in batteries, that is the possibility of cyclically depositing and stripping aluminium. This application can be interesting beyond the battery sector, especially in the forming of conductive metallic coatings. In particular, some ionic liquids have been selected as electrolytes for aluminium deposition and the possibility to carry out the process also outside a glove box was evaluated.

Negli ultimi anni si sta assistendo al principio di una rivoluzione tecnologico/sociale che non ha precedenti nei decenni passati, legata al cambiamento nelle modalità di vivere e gestire i trasporti e la mobilità in generale. Lo sviluppo di nuove batterie ricaricabili sta avendo un impulso in costante aumento, con il duplice obiettivo di ottimizzare le tecnologie elettrochimiche di accumulo dell'energia e quella di sostituire i combustibili fossili nel settore dei trasporti. Le batterie agli ioni di litio hanno rapidamente conquistato il mercato globale grazie al loro peso ridotto e alle alte prestazioni. Tuttavia, le riserve di litio sono limitate e, geograficamente, non distribuite uniformemente, ostacolando così il processo di riduzione dei costi. Questa situazione comporta la necessità di sviluppare tecnologie efficienti per il suo recupero e riciclo e di studiare materiali innovativi e specificamente su misura per migliorare le prestazioni delle celle Questa tesi si prefigge lo scopo di inquadrare il variegato mondo delle batterie per proporre alcune soluzioni che possano in parte rispondere ai target sopra elencati. Essendo la tecnologia agli ioni di litio quella dominante, si è cercato di focalizzare l’attenzione su materiali innovativi per gli elettrodi, proponendo al contempo una strutturazione degli stessi che potesse migliorarne le prestazioni. Si sono quindi utilizzate tecniche di elettrospinning per controllare attentamente la morfologia degli elettrodi, queste combinate con l’utilizzo di fosforo rosso come materiale per incrementarne le prestazioni. Nella prospettiva di ricercare soluzioni alternative al litio, per ovviare da un alto ai problemi di approvvigionamento dei materiali e dall’altro di proporre soluzioni a minore impatto ambientale, sono state studiate batterie al sodio, in particolare anodi ottenuti da fonti riciclabili. Sono state scelte delle alghe selezionate come fonti di hard-carbon, materiale carbonioso ampiamente usato per gli anodi. In ogni caso di studio si sono indagati sia gli aspetti più strettamente legati alla chimica e alla sintesi e caratterizzazione dei materiali, che quelli più prettamente elettrochimici e tecnologici di funzionamento del dispositivo che si è andato a creare. Tra gli elementi più promettenti per sostituire il litio nelle batterie a ioni, vi è sicuramente l’alluminio. La scelta verso questo elemento è dettata dal suo alto numero di ossidazione e quindi dalla sua elevata capacità teorica che può fornire in fase di ciclazione. In una parte della mia ricerca si è voluto analizzare un aspetto specifico legato all’utilizzo dell’alluminio nelle batterie, ossia la possibilità di depositare e strippare ciclicamente l’alluminio stesso. Tale applicazione può avere interessi al di fuori del mondo delle batterie, in particolare nella formazione di coating metallici conduttivi. In particolare sono stati selezionati alcuni liquidi ionici come elettroliti per la deposizione di alluminio e si è valutata la possibilità di svolgere il processo anche al di fuori di una glove box.