Study of lithium-ion batteries cathodes by means of positron annihilation spectroscopy

The growing demand of electrical storage devices, driven by the technological improvement and by the unavoidable energetic transition towards the renewable energy, is pushing research in this field. For this reason, the aim of this work is the study of Li ions cathodes through Positron Annihilation Spectroscopy (PAS). Particularly, we seek to explain the effect of different kinds of carbon coating onto the cathodes grains and to understand the physical purpose by which the carbon drives an increase of the ions diffusivity, impacting the battery’s final performances. The activity took place in the L-NESS laboratory in Como (CO) of "Politecnico di Milano"; furthermore, I attended both the preparation of the cathodes used in the experimental analysis and the Broadband Electrical Spectroscopy (BES) at the "Università di Padova". The first chapter is an introduction to PAS, with some details about positrons sources and their preparation. In the second chapter I focused on the composition of the used cathodes and the BES principles. Moreover, the third chapter contains a description of the Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy (PALS) and an innovative propose for the positrons propagation through multi-layered structures. In the fourth chapter I highlighted the Doppler Broadening Spectroscopy (DBS). Finally, in the fifth chapter the experimental results obtained with the previously presented techniques are illustrated, and a description of the physical phenomena leading to these outcome is provided.

La crescente domanda di dispositivi di accumulo dell’energia elettrica, mossa dal progresso tecnologico e dalla indispensabile transizione energetica verso fonti rinnovabili, sta imponendo un efficientamento di questi, che spinge la ricerca tecnologica nel settore. Per i suddetti motivi, questa tesi ha come obbiettivo lo studio di catodi di batterie agli ioni di Litio mediante l’utilizzo di tecniche spettroscopiche con positroni (PAS). In particolare, si cerca di dare una spiegazione agli effetti prodotti sui catodi da diversi tipi di Carbonio, oltre che del meccanismo fisico per il quale il Carbonio incrementa la diffusione degli ioni all’interno degli stessi, influenzando le prestazioni finali della batteria. L’attività si è svolta presso i laboratori L-NESS di Como (CO) del Politecnico di Milano; inoltre, ho assistito alla preparazione dei catodi oggetto delle analisi sperimentali ed alla tecnica BES (Broadband Electrical Spectroscopy) presso il dipartimento di Chimica dell’Università di Padova. Il primo capitolo è un’introduzione alla PAS, con dettagli sulle sorgenti di positroni e sulla loro preparazione in laboratorio. Nel secondo capitolo sono descritte la composizione dei catodi usati negli esperimenti e la tecnica BES. Nel terzo capitolo viene illustrata la spettroscopia a tempo di vita di positroni (PALS), oltre ad un innovativo meccanismo di propagazione dei positroni all’interno di campioni multi-strati. Nel quarto capitolo la spettroscopia ad effetto Doppler (DBS) viene delineata. Nel quinto capitolo sono presentati i risultati sperimentali ottenuti con le tecniche di cui sopra, e viene data una descrizione dei fenomeni fisici che portano ai suddetti risultati.