Electrodeposited zinc-nickel thin films for current collectors of anode-free li-ion batteries

Energy storage systems are today a crucial technological sector, which will play a keyrole in the energetic transition towards more sustainable lifestyles. New, improved energy systems must be developed in order to meet the scalability and availability requirements necessary to bear the different necessities of growing populations and large industries. This path necessarly passes through the development of battery systems with higher energy density. Anode-free batteries, in which lithium deposition happens directly onto the current collector without the presence of an electrode, become thus an intriguing possibility. The present thesis project focused on the development and characterization of a lithiophilic current collector for anode-free Li-ion batteries, employing zinc-nickel electroplated on copper as substrate. Electrochemical characterization, including cyclic voltammetries, galvanostatic charge/discharge tests, and C-rate tests, was conducted to evaluate the performance of lithium half cells. Additionally, the behavior of lithium deposition and stripping was investigated through SEM, EDS, and XRD analyses. Comparative studies were undertaken with batteries utilizing uncoated copper and zinc-coated current collectors. As expected, substantial improvements were observed across all tests when compared to uncoated copper, attributed to the lithiophobic nature of the material, resulting in elevated energetic barriers to lithium deposition. Differences between zinc and zinc-nickel substrates were prominent in SEM analyses, revealing ordered lithium deposition on zinc-nickel substrates, while zinc substrates exhibited disordered dendritic morphology.

I sistemi di stoccaggio dell'energia sono oggi un settore tecnologico cruciale, che svolgerà un ruolo chiave nella transizione energetica verso stili di vita più sostenibili. È necessario sviluppare nuovi sistemi di stoccaggio dell'energia, al fine di soddisfare i requisiti di scalabilità e disponibilità necessari per sostenere le diverse necessità delle crescenti popolazioni e delle grandi industrie. Questo percorso passa necessariamente attraverso lo sviluppo di batterie caratterizzate da una maggiore densità energetica. Le batterie anode-free, in cui il litio si deposita direttamente sul collettore di corrente, senza la presenza di un elettrodo, diventano quindi una possibilità intrigante. Il presente progetto di tesi si è concentrato sullo sviluppo e sulla caratterizzazione di un collettore di corrente litiofilico per batterie al litio senza anodo, impiegando come substrato zinco-nichel elettrodepositato su rame. La caratterizzazione elettrochimica, che includeva ciclovoltammetrie, test galvanostatici di carica/scarica e test galvanostatici di C-rate, è stata condotta per valutare le prestazioni di semicelle al litio. Inoltre, la deposizione e lo stripping del litio sul collettore sono stati studiati mediante analisi SEM, EDS e XRD. I risultati sono stati confrontati con batterie con collettori di corrente in rame non rivestito e rame rivestito in zinco. Come previsto, si sono osservati miglioramenti significativi in tutti i test rispetto al rame non rivestito, attribuiti alla natura litiofobica del materiale, che comporta barriere energetiche elevate per la deposizione di litio. Le differenze tra substrati di zinco e zinco-nichel sono emerse chiaramente nelle analisi SEM, rivelando una deposizione di litio ordinata su substrati di zinco-nichel, mentre i substrati di solo zinco mostravano una morfologia dendritica e disordinata.