Morphological analysis and pretreatment strategies to control aluminium dendrite growth in AlCl3-EMImCl electrolyte

Aluminium-ion batteries (AIBs) are a promising alternative to lithium-ion batteries due to the abundance and high theoretical capacity of aluminium. However, their practical viability is significantly challenged by the growth of aluminium dendrites on the anode during plating/stripping cycles in ionic liquid electrolytes like AlCl₃-EMImCl. Despite expectations of dendrite-free deposition under certain conditions, dendrites have been observed, leading to interfacial instability and performance decay. This thesis investigates the Lewis acidic AlCl₃-EMImCl ionic liquid, a common electrolyte for Al deposition. This electrolyte contains electrochemically active Al₂Cl₇⁻ ions and exhibits advantageous properties, though it is also highly corrosive. Utilizing techniques such as scanning electron microscopy (SEM) and Energy Dispersive spectroscopy (EDS), the morphology of the aluminium surface, deposited aluminium, and dendrites is analysed. To mitigate dendrite formation, anode pretreatment strategies are explored. The aim is to engineer the anode-electrolyte interface to promote uniform aluminium deposition and suppress detrimental dendritic growth. This work highlights the presence and morphology of aluminium dendrites in AlCl₃-EMImCl electrolyte and demonstrates the critical importance of anode surface modification in coin cell batteries, a crucial step toward enhancing the cycling stability, efficiency, and safety necessary for the practical application of Al-ion batteries.

Le batterie agli ioni di alluminio (AIB) rappresentano una promettente alternativa alle batterie agli ioni di litio, grazie all'abbondanza e all'elevata capacità teorica dell’alluminio. Tuttavia, la loro effettiva applicabilità è fortemente ostacolata dalla crescita incontrollata di dendriti di alluminio sull'anodo durante i cicli di deposizione/stripping in elettroliti a base di liquidi ionici come AlCl₃-EMImCl. Nonostante ci si aspetti una deposizione priva di dendriti in determinate condizioni, la loro formazione è stata osservata, causando instabilità interfacciali e un progressivo decadimento delle prestazioni. Questa tesi analizza il liquido ionico Lewis acido AlCl₃-EMImCl, un elettrolita comunemente utilizzato per la deposizione dell’alluminio. Tale elettrolita contiene ioni elettrochimicamente attivi Al₂Cl₇⁻ e presenta proprietà vantaggiose, sebbene sia altamente corrosivo. Tramite tecniche come la microscopia elettronica a scansione (SEM) e la spettroscopia a dispersione di energia (EDS), è stata studiata la morfologia della superficie di alluminio, dell’alluminio depositato e dei dendriti formatisi. Per mitigare la formazione di dendriti, sono state esplorate strategie di pretrattamento dell’anodo. L’obiettivo è ingegnerizzare l’interfaccia anodo-elettrolita per promuovere una deposizione uniforme dell’alluminio e sopprimere la crescita dendritica indesiderata. Questo lavoro mette in evidenza la presenza e la morfologia dei dendriti di alluminio nell’elettrolita AlCl₃-EMImCl, sottolineando l’importanza cruciale della modifica superficiale dell’anodo nelle batterie a bottone, un passaggio fondamentale per migliorare la stabilità ciclica, l’efficienza e la sicurezza, requisiti essenziali per l’applicazione pratica delle batterie agli ioni di alluminio.