Preparation and characterization of electrode materials for sodium-ion batteries

Aim of the thesis have been the synthesis, the physicochemical and the electrochemical characterization of electrode materials for sodium-ion batteries. Sodium-ion batteries have emerged as the most promising alternative to lithium-ion ones, due to their low cost and their sustainability that makes them interesting candidates for application in many sectors, such as the in the one of renewable energies. One of the steps necessary for their commercialization is, however, the development of high-performance electrode materials. The focus of the investigation has been put on the applications that a special class of materials, the one of oxides, can have, both as anodes and both as cathodes. This class has been chosen for the general abundance and low cost of those materials. Concerning anodic materials different doped iron oxide nanofibers prepared with electrospinning technique have been synthesize and studied. The structure of those materials has been characterized with a multi-technique approach, to understand the effect of the doping atoms on the structure of the material and on the electrochemical performances. As anode material also electrodeposited lead oxide electrodes, reacting with a conversion and alloying mechanism, have been characterized. In this case, investigations have regarded the stabilization of the electrochemical performances and the possibility of obtaining blended electrode through galvanic displacement. Concerning cathodic materials, the focus of the research has been put on the class of layered oxides of general formula NaxTmO2 (with Tm = Mn, Ni). In this case, the object of the research has been the optimization of the synthesis pathway and of the synthesis conditions of P2-Na0.67Mn0.67Ni0.33O2, to control its morphology and to optimize its electrochemical performances. Particular attention has been given also to the stabilization of this materials at high potentials, that has been achieved performing an inorganic inert coating on the particles’ surface. This coating, performed with magnesium oxide, has permitted to enhance the operating potential and the specific capacity of the studied material. Investigations have been also dedicated to the effect of air exposure on the material P2-Na0.67Mn0.9Ni0.1O2. The product obtained after its complete reaction with moisture present in air has been identified and characterized as cathode material for aqueous sodium-ion batteries.

Scopo della tesi sono state la sintesi, la caratterizzazione fisico-chimica ed elettrochimica di materiali elettrodici per batterie a ioni sodio. Le batterie a ioni sodio sono una delle più interessanti alternative alle batterie agli ioni litio, per via del loro basso costo e della solo sostenibilità, che le rende interessanti candidati per applicazioni in molti settori, come ad esempio quello dell’accumulo dell’energia proveniente da fonti rinnovabili. Uno degli step mancanti necessari alla loro commercializzazione, tuttavia, è lo sviluppo di materiali elettrodici ad alte prestazioni. Il focus della ricerca è stato quindi posto sulle applicazioni che una particolare classe di materiali, quella degli ossidi, può avere, sia come materiali anodici che come materiali catodici. Questa categoria è stata scelta per il basso costo e l’alta abbondanza dei materiali. Riguardo ai materiali anodici testati, diverse nanofibre di ossidi di ferro sono state sintetizzate con la tecnica dell’elettrospinning. Questi materiali sono stati poi dopati con altri metalli di diversa valenza. La struttura dei materiali così ottenuti è stata caratterizzata con l’utilizzo di svariate tecniche, per capire l’effetto degli elementi dopanti sulla struttura cristallina e sulle performances elettrochimiche. Come materiali anodici sono stati caratterizzati anche elettrodi di ossido di piombo elettrodepositato, che reagiscono con un meccanismo di conversione ed alligazione. In questo caso, l’investigazione ha riguardato la possibilità di ottenere elettrodi blended tramite scambio galvanico Riguardo ai materiali catodici, la ricerca si è focalizzata sulla classe di ossidi stratificati di formula NaxTmO2 (con Tm = Mn, Ni). In questo caso, l’oggetto della ricerca sono stati l’ottimizzazione del percorso e delle condizioni di sintesi di P2-Na0.67Mn0.67Ni0.33O2, per controllarne la sua morfologia e ottimizzarne le performances elettrochimiche. Particolare attenzione è stata data anche alla stabilizzazione del materiale ad alti potenziali, che è stata ottenuta effettuando un coating sulla superficie delle particelle. Questo coating, effettuato con ossido di magnesio, ha permesso di migliorare l’intervallo di potenziale in cui il materiale lavora e la sua capacità specifica. Investigazioni sono state anche rivolte agli effetti dell’esposizione all’aria (e in particolare all’umidità) del materiale P2-Na0.67Mn0.9Ni0.1O2. Il prodotto ottenuto dopo la sua completa degradazione è stato identificato e caratterizzato come materiale catodico per batterie acquose a ioni sodio.