Computational fluid dynamics optimization of NanoJetDeposition of amorphous silicon nanoparticles for lithium ion batteries anodes

The world reliance on fossil fuels is one of the reasons why renewable energy market needs a mandatory improvement towards more reliable and affordable solutions, in a vision of a more sustainable future. Renewable energies present serious issues in terms of reliability over time due to the intermittent nature of the sources, which translates into a problem related to the demand and the storage of the energy itself. Lithium-ion batteries (LIBs) became one of the leading candidates amongst all the solutions, due to their competitive costs and efficient reliability, which places them in a strong position in confronting with fossil fuels. Nowadays LIBs are widely used in electric vehicles, portable devices and heavy storage devices and this happened thanks to their main characteristics of high energy density, high power density and low self-discharge rate. LIBs result to be a better option with respect to other energy storage technologies also because of their better performances in terms of gravimetric and volumetric energy density. The development of novel nanomaterials based on different silicon structures, allows the research to move towards a better understanding of the deep interconnection between the nanometric arrangement of the material and the overall properties of the actual device. NanoJetDeposition system provides an innovative and easily scalable production system for LIB electrodes realized with nanostructured amorphous silicon. The system up to now, has been used for the production of silicon nano-powders with good electrochemical stability, but in order to make the process more suitable for industrial applications, the possibility to directly realize silicon thin films on copper substrates is investigated. Thanks to the realization of a Computational Fluid Dynamics 3D model of the system a correlation between the morphology of the deposited material and the fluid dynamic conditions of the deposition is carried on as the main subject of this thesis to fully exploit the scalability of the NanoJetDeposition system. Finally, lithium ion half cells are assembled with the obtained material and consequently electrochemically tested to complete the characterization.

La forte dipendenza dell’odierno sistema di produzione e stoccaggio di energia dal combustibile fossile è una delle ragioni per cui il mercato delle energie rinnovabili richiede una forte spinta verso soluzioni economicamente sostenibili, nella prospettiva di una futura diminuzione di impatto ecologico. Il settore delle energie rinnovabili necessita di soluzioni stabili a lungo termine a causa dell’intrinseca intermittenza delle sorgenti naturali, la quale si riflette sul problema dello stoccaggio dell’energia prodotta. Le batterie a ioni di litio sono diventate negli anni il candidato migliore nella selezione del mercato a causa del loro rapporto efficienza e costo di produzione, ponendosi quindi al confronto con le energie fossili. Questa tecnologia si è stabilita principalmente nel settore dei veicoli elettrici e dei dispositivi portatili, grazie alla sua possibilità di stoccare alte densità di energia e di potenza. Lo sviluppo di nanomateriali innovativi basati sul silicio consente alla ricerca di muoversi verso una migliore comprensione della profonda interconnessione tra struttura nanometrica del materiale e proprietà finali dei dispositivi. Il sistema di NanoJetDeposition rappresenta una soluzione innovativa e facilmente scalabile a livello industriale per la produzione di nanostrutture di silicio amorfo per gli anodi delle batterie a ioni litio. Il sistema è stato testato fino ad oggi per la produzione di nanopolveri di silicio amorfo con ottimi risultati in termini di stabilità elettrochimica, ma il processo di produzione dell’elettrodo stesso richiede una serie di step non facilmente scalabili al livello industriale. Viene quindi analizzata in questo lavoro la possibilità di rendere il processo di produzione di film sottili di silicio per gli elettrodi su substrati convenzionali, grazie alla realizzazione di un modello di fluidodinamica computazionale 3D. Il suddetto modello consente di ottenere una correlazione diretta tra il setup fluidodinamico del sistema di deposizione e la morfologia del materiale deposto tramite il sistema NanoJetDeposition. Per osservare infine le prestazioni elettrochimiche del materiale, questo viene testato in celle sperimentali contro catodi di litio per un’analisi trasversale.