Electrochemical surface modification for high performance Li-Ion battery electrodes

The work presented in this thesis is about the development of an innovative and scalable process for the metallization of cathodic active material contained in Li-ion batteries, in order to enhance its electrochemical properties. The induced surface modifications on the particles by the metallization will enable the application of an electrode manufacturing process that doesn't involve the use of an organic solvent (i.e. N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP). The developed water-based process provides an improvement of process sustainability along with a reduction of costs and plant complexity for electrodes manufacturing. Considering the poor stability in aqueous environments of the class of materials taken into consideration (Lithium-transition metal oxides), the production of electrodes containing non treater active material particles results in a worsening of electrochemical behavior, related to structural damages that occur to the particle. To solve instability issues, a copper electroless deposition process was developed to enhance stability of these materials, in particular Lithium Cobalt Oxide, through the application of a copper-based superficial coating. In addition, it leads also to an enhancement of battery performances. Treated powder characterization was done in order to investigate deposition mechanism and the superficial modification that arises from the treatment. Electrodes casted by water-based process and containing treated powder were tested to assess the performance improvements. Moreover, to further reduce the environmental impact, it was investigated the replacement of Formaldehyde, suspected of being carcinogenic, with alternative and non-hazardous reducing agent for electroless deposition. In the framework of LIFE+ GLEE European project, finalized to the realization of a pilot plant for the metallization of active materials in Li-ion batteries, a series of scale-up related issues were assessed and investigated.

Questa tesi tratta lo sviluppo di un processo innovativo e scalabile a livello industriale per la metallizzazione dei materiali attivi catodici contenuti nelle batterie a ioni di litio, per ottenere un incremento delle loro proprietà elettrochimiche. Le modificazioni superficiali indotte dalla metallizzazione sulla particella permettono, inoltre, l’applicazione di un processo per la manifattura dell’elettrodo che non prevede l’utilizzo di solventi organici (ad esempio N-metil-2-pirollidone, NMP). Il processo a base acquosa sviluppato aumenta la sostenibilità ambientale e permette una riduzione dei costi e della complessità degli impianti per la manifattura degli elettrodi. Tuttavia, poiché la classe di materiali presa in considerazione (ossidi composti da litio e metalli di transizione) mostra una scarsa stabilità in acqua, questo metodo di produzione comporta un peggioramento del comportamento elettrochimico dovuto ai danni strutturali che subiscono le particelle. Per risolvere questi problemi, un processo electroless di deposizione di rame sviluppato è stato sviluppato per migliorare la stabilità dei materiali attivi , in particolare Litio Cobalto Ossido, attraverso la formazione di un coating superficiale. In aggiunta, anche le prestazioni della batteria risultano migliorate. È stato svolto un lavoro di caratterizzazione delle polveri trattate per definire i meccanismi di deposizione e le modifiche superficiali che il trattamento causa. Per verificare l’incremento nelle prestazioni, una serie di elettrodi contenenti materiale attivo trattato sono stati preparati e testati. Inoltro, per ridurre ulteriormente l’impatto ambientale, è stata studiata la sostituzione della formaldeide, sospetta cancerogena, con agenti riducenti alternativi e non pericolosi. Nell’ambito del progetto europeo LIFE+ GLEE, finalizzato alla realizzazione di un impianto pilota per il trattamento dei materiali attivi delle batterie al litio, sono state approfondite alcune tematiche legate allo scale-up del processo.