Additive manufacturing of Zn electrodes with controllable density for biodegradable and sustainable battery production

This work started from the study of the state of the art of zinc batteries. In particular, the most recent research focused on the realization of tridimensional electrode, with irregular active surface and interconnected porosity. Commercial Zn electrodes are made of powder mixed with binder: powder allows to have high active surface while binder is needed to keep powder together but reduces the conductivity. The realization of tridimensional electrodes allowed to improve the performance of Zn anodes and reduce the passivation phenomena due to ZnO deposition. So, the objective of this thesis was to realize pure Zn electrodes using LPBF to eliminate the binder in their production. But the main challenge to face was the high vaporization tendency of zinc. As a preliminary study one-powder-layer single tracks were realized: The melt pool characterization was done by measuring melt pool depth, width, area and aspect ratio (AR). The second experimental campaign aimed at the production of thin walls, built as single tracks printed layer-by-layer. The thin walls demonstrated the possibility to realize thin samples (with thickness less or equal to 500μm) with continuous wave emission at different power and speed level, with changing BS. Moreover, was possible to prove that BS combined with power and speed is relevant to control the mass (between 0.15g and 0.5g), and so the density (between 4g/cm3 and 7g/cm3) of each sample. At the end electrochemical tests were performed to verify the possibility of exploiting the samples as ready-to-use electrodes. The results of this preliminary tests were promising for the symmetric cell test: the overpotential value is around 20mV and is lower with respect to the values reported by the state of the art for pure tridimensional Zn electrodes.

Lo studio dello stato dell’arte per questa tesi è iniziato dalle batterie allo zinco. In particolare, le ricerche più recenti si sono focalizzate sullo studio di elettrodi tridimensionali, caratterizzati da una superficie di reazione irregolare e possibilmente porosità interconnesse al loro interno. Le batterie commerciali allo zinco sono formate da paste composte da polvere di Zn e collante: la polvere è utile per aumentare l’area attiva dell’elettrodo ma il collante funge da barriera per la conduttività. La realizzazione di elettrodi tridimensionali ha permesso di migliorare le performance degli anodi di zinco e ridurre anche il fenomeno di passivazione dovuto alla precipitazione di ossido di zinco, ZnO. Quindi, l’obbiettivo di questa tesi è di produrre elettrodi in puro zinco con tecnologia additive a letto di polvere, LPBF, per sfruttare il vantaggio di superfici irregolari dovuto al processo e eliminare l’utilizzo di collanti. Ciò che rende difficoltosa questa applicazione è l’alta tendenza ala vaporizzazione dello zinco quando lavorato con tecnologie laser. Come studio preliminare singole tracce con un solo layer di polvere sono state studiate, e successivamente sezionate per misurare le “pozze fuse”. Come seconda campagna sperimentale sono state realizzate pareti sottili costruite come sovrapposizione di singole tracce, layer-by-layer. Le pareti sottili hanno dimostrato la possibilità di creare campioni di spessore minore o uguale 500µm, a differenti potenze, velocità e forme del fascio. Inoltre, è stato possibile dimostrare che la forma del fascio combinata con potenza e velocità di scansione permette di controllare la massa finale del campione (valori compresi tra 0.15g e 0.5g), potendo quindi avere un controllo anche sulla densità (tra i 4g/cm3 e i 7g/cm3). Infine, sono stati eseguiti test elettrochimici per verificare l’utilizzo dei campioni come elettrodi- i risultati sono promettenti in particolare per i test a celle simmetriche: questi infatti hanno riportato, per il campione testato, un valore di sovra potenziale di circa 20mV, inferiore di 10 mV rispetto a valori riportati in letteratura per elettrodi allo Zn tridimensionali.