In-Situ EC-AFM Characterization of Sputtered LiNi0.5Mn1.5O4 Thin Film Positive Electrode for LIBs

Lithium ion batteries (LIBs) are becoming more and more used in the transport sector for (hybrid) electrical vehicles ((H)EVs), and in the energy sector for the storage of en- ergy harvested from renewable resources. Another important application of LIBs is in the consumer electronic sectors, which is seeing a constant decrease in the dimension of the electronic devices, such as wearable devices, sensors, and biomedical devices. In view of the Internet of Things (IoT) era there will be a growing need for microbatteries capa- ble of storing high energy densities in a relatively small amount of time. Moreover, the economical and ethical issues related to the cobalt economy are calling for a paradigm shift from cobalt-containing to cobalt-free positive electrodes. LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) is a suitable positive electrode material for fulfilling this goal, due to its relatively high theoretical capacity, high potential vs Li/Li+, and absence of cobalt in its structure. This Master Thesis is focused on the characterization of a new generation LNMO thin film to be used in all solid state thin film batteries (TFBs). In this Thesis two setups have been used: an electrochemical setup, combined with SEM and ex-situ Atomic Force Microscopy (AFM), and a newly made in-situ Electrochemical AFM (EC-AFM) setup. These two setups were used to correlate the electrochemical behaviour of the material with its mor- phological changes upon charge and discharge of the electrode in a half cell configuration.

Le batterie agli ioni di litio (LIBs) stanno diventando sempre più utilizzate nel settore del trasporto per veicoli elettrici (Ibridi) ((H)EVs), e nel settore dell'energia per l'immagazzinamento dell'energia ottenuta attracerso fonti rinnovabili. Un'altra importante applicazione delle LIBs è nel settore dell'elettronica di consumo, il quale vede una continua diminuzione nella dimensione dei prodotti elettronici, come ad esempio dispositivi indossabili, sensori, e dispositivi biomedici. In previsione dell'era dell'internet delle cose (IoT), ci sarà un aumento nella domanda per microbatterie capaci di immagazinare grandi densità di energia in un reletivamente breve lasso di tempo. Inoltre, i problemi economici ed etici legati all'economia del cobalto richiedono un cambio di paradigma da elettrodi positivi contenenti cobalto a elettrodi positivi che non lo contengano. Un materiale capace di raggiungere quest'obiettivo è LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO), per via della sua relativamente alta capacità teorica, del suo potenziale di riduzione vs Li/Li+, e all'assenza di cobalto nella sua struttura. Questa Tesi Magistrale è focalizzata sulla caratterizzazione di un film sottile di LNMO di nuova generazione, da utilizzare in una batteria a film sottile completamente allo stato solido (TFBs). In questa Tesi due setups sono stati usati: un setup per misure elettrochimiche, combinate con SEM ed ex-situ Atomic Force Microscopy (AFM), e un nuovo setup creato appositamente per questa tesi per misure di caratterizzazione elettrochimica e in-situ AFM (in-situ EC-AFM). Questi due setups sono stati usati per correlare il comportamento elettrochimico del materiale con i suoi mutamenti morfologici durante cicli di carica e scarica dell'elettrode in una configurazione a semi-cella.