New materials for electrochemical energy storage: advanced lithium ion batteries and beyond

During my PhD research activity, I was involved in the development of smart materials with self-healing functionalities, the possibility to repair the "tissue" that constitutes the electrode, and the electrode/electrolyte interface is the first step towards improve batteries reliability. Concerning the anodic compartment, the active materials subjected to research were black phosphorus-based nanocomposite with carbon and advanced high entropy oxides with rock-salt structure. Subsequently, innovative functional cathode materials were developed for application in lithium-ion batteries that exhibits excellent cycling stability in a wide voltage range and high specific capacities. During the last year I focused on improving lithium metal battery technology, by realizing an enhanced polymer gel electrolyte by means of a Janus separator that showed excellent electrochemical performance, reduced capacity loss and the ability to intercept dendrite growth. A further improvement were Cu-based 3D current collectors as advanced anodes. They showed good capacity, life cycle of more than 300 hours and enhanced safety due to the greater surface area as well as the decrease in local current densities.

Durante la mia attività di ricerca, sono stato coinvolto nello sviluppo di materiali con proprietà auto-riparanti; la possibilità di riparare il "tessuto" che costituisce l'elettrodo e l'interfaccia elettrodo/elettrolita è il primo passo per migliorare l'affidabilità della batterie. Per quanto riguarda il compartimento anodico, i materiali attivi oggetto di ricerca sono stati nanocompositi a base di fosforo nero con carbonio e ossidi avanzati ad alta entropia con struttura tipo rock-salt. Successivamente, sono stati sviluppati materiali catodici innovativi per batterie agli ioni di litio con eccellente stabilità in un ampio intervallo di tensione ed elevate capacità specifiche. Infine, mi sono concentrato sul miglioramento della tecnologia delle batterie a litio metallico, realizzando un elettrolita gel polimerico potenziato tramite un separatore Janus con eccellenti prestazioni, ridotta perdita di capacità e abilità di intercettare la crescita dei dendriti. Un ulteriore miglioramento è dato dai collettori di corrente 3D in Cu come anodi avanzati, con buone capacità, ciclo di vita di oltre 300 ore e migliore sicurezza grazie alla maggiore area superficiale e a minori densità di corrente locali.