Anodi Avanzati di Litio Metallico per Batterie Secondarie al Litio ad Alta Capacità

Efficiency in storing previously produced energy is today a key factor in pursuing sustainable development goals. Research on suitable materials for electrochemical storage devices is strategic in this industrial sector. Lithium-ion batteries represent the consolidated technology, thanks to their high gravimetric and volumetric capacities. In this paper, lithium-ion battery materials are analyzed, presenting their key features together with state-of-the-art coin cell characterization. Until now, most attention has been devoted to cathode materials; in this thesis, the focus is shifted to new advanced anodes with high-performance goals. The role of the current commercial graphite-based anode is discussed. Among new anode technologies, silicon (Si) is analyzed, and new high-capacity Li–Si-based anodes are explored from SiO₂ nanoparticles. State-of-the-art coin cells are assembled in an inert atmosphere. Their behavior is tested using galvanostatic charge–discharge cycling. Data are analyzed through voltage/time and capacity/cycle plots, with the help of analysis software. Based on these, relevant analogies and significant features are extracted. Coulombic efficiency is identified as the core parameter, and strategies for its improvement are the focus of this thesis. A post-mortem perspective on materials is also provided. The results aim to set benchmarks for the future characterization of Si-based anodes, enhancing the energy density and cycle life of next-generation lithium-ion batteries, and contributing to the development of more efficient and durable energy storage systems, also taking into account the aspect of sustainability.

Immagazzinare in modo efficiente energia prodotta mediante fonti rinnovabili è uno dei fattori chiave verso gli obiettivi di sviluppo sostenibile. Per questo motivo, la ricerca su materiali adatti a dispositivi di accumulo elettrochimico è una realtà strategica a livello industriale. Le batterie agli ioni di litio rappresentano una tecnologia consolidata, grazie alla loro alta capacità volumetrica e gravimetrica. In questo documento, i materiali che compongono una batteria agli ioni di litio sono vengono analizzati, illustrando le loro proprietà e la loro applicazione in una cella a bottone dello stato dell’arte. Fino ad ora, la maggior parte dell’attenzione accademica è stata rivolta alla caratterizzazione dei materiali del catodo; in questa tesi, il focus è centrato su nuovi anodi con performance migliorate. Il ruolo dell’anodo commerciale attuale, basato sulla grafite, viene discusso. Tra le diverse nuove tecnologie, quelle basate sul silicio (Si) sono analizzate, e un nuovo anodo di Li-Si viene teorizzato partendo da nanoparticelle di SiO2. Celle a bottone allo stato dell’arte vengono assemblate in atmosfera inerte. Il loro comportamento è testato attraverso cicli galvanostatici di carica e scarica. I dati ottenuti sono analizzati attraverso i grafici tensione/tempo e capacità/numero di cicli, con l’aiuto di software di analisi numerica. Basandosi sui dati ottenuti, proprietà e analogie delle celle vengono estratte. Si individua l’efficienza di Coulomb come parametro fondamentale, e delle strategie per il suo miglioramento vengono trattate nella tesi. Viene condotta un’analisi supplementare dei materiali sulle celle esauste. I risultati mirano a impostare dei benchmark per la futura caratterizzazione di anodi di silicio, i quali hanno le potenzialità per migliorare la densità di energia e la vita delle batterie agli ioni di litio di nuova generazione. Essi contribuiranno in futuro allo sviluppo di nuovi sistemi di accumulo dell’energia più efficienti e più duraturi, tenendo in considerazione anche l’aspetto della sostenibilità.