Design of CNFs-supported self-standing cathodes for Sodium-ion batteries with enhanced performance at high C-rate

In this Ph.D thesis, we investigate different approaches to prepare high energy and power density self-standing electrodes, based on high voltage/capacity active materials and carbon nanofibers (CNFs). First, the characterization and electrochemical investigation was carried out on conventional tape-casted electrodes with the Na3MnZr(PO4)3, Na3MnTi(PO4)3 and ZnS-GO active materials for sodium-ion batteries (SIBs), and on the only electrospun CNFs matrix. Thereafter, a self–standing cathode was synthesized, based on CNFs and the well-known LiFePO4 active material for lithium-ion batteries (LIBs), to investigate the role of CNFs on the electrochemical performance. Finally, the active materials for SIBs are loaded into CNFs, to prepare the new self-standing electrodes. The results are very promising in terms of enhanced capacity at high C-rate, cell lifespan, and power density (high cycling rate), thanks to the CNFs matrix, which improves the electronic conductivity and the electrode/electrolyte contact.

In questa tesi di dottorato si sono studiati diversi approcci per produrre elettrodi self-standing caratterizzati da alta densità di energia e di potenza, ottenuti con materiali ad alto voltaggio e/o alta capacità e una matrice di nanofibre di carbonio (CNF). Sono stati effettuati dei test preliminari sui composti Na3MnZr(PO4)3, Na3MnTi(PO4)3 e ZnS-GO per batterie a ioni sodio (SIBs), preparati con metodo tradizionale (tape-casted), e sulla singola matrice di CNFs elettrodepositata. Dopo aver realizzato un catodo self-standing utilizzando il ben noto materiale catodico per le batterie al Litio LiFePO4 per valutare l’influenza delle CNFs sulla prestazione elettrochimica, i materiali attivi scelti per le SIBs sono stati caricati nelle nanofibre di carbonio per preparare i nuovi elettrodi self-standing. Le prestazioni elettrochimiche ottenute sono molto promettenti per la buona capacità ad alte C-rate, ciclabilità della cella e densità di potenza, grazie alla matrice di CNF che migliora la conducibilità elettronica e il contatto elettrodo/elettrolita.