Sintesi e Caratterizzazione Elettrochimica del Materiale Anodico TiO2 per le Batterie agli Ioni Sodio.

Energy demand has always been one of man's basic needs. In recent centuries, after the advent of the industrial revolution, the energy requirement per capita has grown exponentially. It is necessary to have significant amounts of energy immediately available, for this reason, batteries have been invented, which are tools that can store large amounts of chemical energy that can be quickly converted into electrical energy. In recent years, the research focused on the study of SIBs, trying to improve their performances and make them competitive with lithium-ion batteries, also because today lithium is becoming more expensive due to the decreasing availability in nature. A promising anodic material for SIBs seems to be titanium oxide, in particular, the Anatase phase seems to have the best electrochemical performance. The purpose of this thesis is to search for simple and economical methods of synthesis of titanium oxide in its Anatase form. To be then electro-chemically tested as anode material in a semi cell for sodium-ion batteries, trying to improve its performance. The synthesis methods analysed are the hydrothermal method and the synthesis by co-precipitation, both simple and executable methods, that do not require the use of very expensive equipment and reagents. Concerning the co-precipitation to increase the electrochemical capacities, substitutions with tin were also carried out on the cationic sites of the titanium. Obtaining the following compounds: Ti0,95Sn0,05O2 and Ti0,9Sn0,1O2. Lastly, a new method to prepare the anode, "the Self-Standing deposition " was tested, based on electro-spinning. It has proved to be easier and more efficient.

La richiesta di energia è sempre stata uno dei bisogni primari dell'uomo. Negli ultimi secoli, dopo l'avvento della rivoluzione industriale, il fabbisogno energetico pro capite è cresciuto in modo esponenziale. È necessario avere subito a disposizione notevoli quantità di energia, per questo sono state inventate le batterie: degli strumenti in grado di immagazzinare grandi quantità di energia chimica che può essere rapidamente convertita in energia elettrica. Negli ultimi anni la ricerca si è concentrata sullo studio delle batterie agli ioni sodio le SIB, cercando di migliorarne le prestazioni e renderle competitive con le batterie agli ioni di litio. Un materiale anodico promettente per le SIBs sembra essere l'ossido di titanio, questo composto è molto presente in natura, non è tossico, può essere facilmente sintetizzato e ha un'elevata stabilità chimica. In questo lavoro di tesi si è sintetizzato il diossido di titanio sia puro che drogato con stagno (Sn) nella forma cristallina dell’anatasio e lo si è caratterizzato elettro-chimicamente come materiale anodico in una semicella per batterie agli ioni sodio. Le prestazioni elettrochimiche del TiO2 dipendono dalle sue caratteristiche morfologiche, dalle dimensioni dei grani e dalla sostituzione con altri elementi droganti. Per questa ragione il TiO2 puro e drogato Sn è stato preparato seguendo due differenti strategie sintetiche; dopo un’adeguata caratterizzazione strutturale e morfologica, i campioni sono stati testati elettro-chimicamente per valutarne le prestazioni. Nella prima strategia sintetica si è ottenuto TiO2 per decomposizione termica del precursore MIL-125, un Metal Organic Framework a base di Ti (centro metallico) e acido tereftalico (linker), sintetizzato per via idrotermale. Nel secondo caso il TiO2 è stato ottenuto con il metodo della co-precipitazione: partendo dalla soluzione dei reagenti, si ottiene un composto poco solubile che precipita, spostando l’equilibrio di reazione verso i prodotti. Il prodotto così ottenuto è il precursore, che dopo essere stato trattato termicamente alla temperatura di formazione del TiO2, genera il prodotto desiderato. I campioni di TiO2 drogato Sn sono stati sintetizzati per co-precipitazione. La quantità di drogante è stata scelta per ottenere le seguenti composizioni nel prodotto finale: Ti0.95Sn0.05O2 e Ti0.9Sn0.1O2. Con il TiO2 ottenuto per trattamento termico del MIL-125 si sono infine effettuate alcune prove preliminari di deposizione del materiale anodico in nanofibre di carbonio (CNF) ottenute per elettrofilatura. Questo metodo innovativo di preparazione degli elettrodi permette di ottenere una maggior stabilità strutturale del materiale attivo durante le fasi di carica/scarica e di aumentare il tempo di vita della cella attutendo le variazioni volumetriche subite durante il ciclaggio.