The key role of high-performance anode materials in Li- and Na-ion batteries

In this PhD thesis, different anode materials for Li- and Na-ion batteries with complementary features were investigated to obtain a wide spectrum of candidate materials for next-generation batteries. The ternary transition metal oxide ZnFe2O4 offers high energy density, and its complex and irreversible reaction with Li was studied with electrochemical techniques and operando X-ray diffraction in order to understand the cycling behaviour of the material. Alloying and conversion-alloying of tin and tin oxides are also high energy density electrochemical reactions, that can be exploited in both Li- and Na-ion batteries. Promising results were obtained from an electrospun self-standing tin/carbon composite with enhanced rate capability. Higher power densities are shown by complex niobium oxides such as FeNb11O29, whose enhanced kinetic features were studied alongside the reaction mechanism, that was unravelled with operando X-ray diffraction and in situ Raman spectroscopy.

In questa tesi di dottorato, diversi materiali anodici per batterie agli ioni Li e Na con caratteristiche complementari sono stati studiati per avere una gamma di possibili candidati come materiali per batterie di nuova generazione. L’ossido ternario ZnFe2O4 ad alta densità di energia ha una reazione complessa e irreversibile con il Li, che è stata studiata con tecniche elettrochimiche e diffrazione operando, per comprenderne la ciclabilità. Alligazione e conversione-alligazione di Sn e SnOx sono altre reazioni elettrochimiche ad alta densità di energia, che possono essere sfruttate sia in batterie al Li che al Na. Sono stati ottenuti risultati promettenti (anche a correnti elevate) da un elettrodo composito self-standing elettrospinnato. Alte densità di potenza sono la caratteristica prevalente di FeNb11O29, le cui sorprendenti caratteristiche cinetiche sono state studiate insieme al meccanismo di reazione, grazie a diffrazione operando e spettroscopia Raman in situ.