Systematic study of in-situ sodium plating/stripping on anode free substrates for sodium ion batteries

Gli oggetti di studio di questo lavoro di tesi sono le batterie agli ioni-sodio, in particolare una loro variante ancora in fase di sviluppo denominata “anode-free”. Seppur questi accumulatori al sodio non siano nuovi ma conosciuti da tempo, è solamente dal 2010 che gli studi al riguardo si sono intensificati, tanto da portare alla realizzazione di diversi prototipi in pochi anni. Le maggiori difficoltà nel loro sviluppo sono state riscontrate nella scelta del materiale costituente l’anodo. Per ovviare al problema sono state ideate le batterie agli ioni-sodio “anode-free”: l’anodo è rappresentato da un semplice collettore di corrente, generalmente alluminio o rame, dove gli ioni-sodio si depositano, riducendosi e formando sodio metallico in situ durante la carica; al contrario, durante la scarica, è il sodio metallico che si ossida tornando ione e migrando verso il catodo. Il lavoro di tesi ivi proposto è stato sviluppato presso l’Energy Storage Group del College of Engineering della Swansea University di Swansea (UK). Sono stati esaminati tre substrati differenti valutando l’idoneità di ciascuno di essi ad un’applicazione come anodo in un accumulatore agli ioni-sodio “anode-free”, attraverso tecniche di caratterizzazione standard quali Galvanostatic Cycling (GC), Cyclic Voltammetry (CV) ed analisi al microscopio. I materiali presi in esame sono stati: acciaio inossidabile, acciaio inossidabile rivestito di nichel ed un substrato di nichel chiamato nichel foam. Dopo aver visto che l’acciaio inossidabile è il substrato in grado di garantire prestazioni migliori, lo step successivo è stato quello di realizzare una vera e propria batteria agli ioni-sodio “anode-free” utilizzando un catodo composto da pirite presodiata. Le performance della batteria proposta in questa tesi sono state infine confrontate con quelle di un modello di riferimento che impiega un collettore di corrente in alluminio rivestito da carbon black come anodo.