Ottimizzazione elettrochimica del materiale anodico ZnS per batterie agli ioni Sodio

The thesis work focused on the preparation and optimization of the ZnS-based anode as an active material for sodium-ion batteries. The study focused on the synthesis of stoichiometric zinc sulphide (ZnS) and copper doped and preparation on the ZnS /carbon matrix composites, to create an anode with adequate characteristics to solve some of the still open problems on the efficiency of its electrochemical performance (significant volume variation of the active material during the insertion / extraction of the Na + ion in the charging / discharging processes, poor electronic conductivity of the material). To prepare the materials, two different synthesis methods in solution are chosen, sol-gel and hydrothermal, to obtain a particulate as nano-sized as possible and to easily insert a second carbon component with adequate morphological and structural characteristics into the sample. Copper doping at 10% and 20% by moles was instead chosen for the similar dimensions of Cu and Zn and because copper is electrochemically active in the anodic range as a CuS phase. The anode was prepared with the traditional techniques of the tape-casting, but a systematic study was carried out on the composition of the slurry by testing different carbons and binders, to obtain the right consistency of the coating, and different electrolytes to improve the transport of Na ions. Finally, some preliminary studies were carried out on the preparation and electrochemical characterization of a self-standing electrode, obtained by loading the active material ZnS-graphene oxide into the carbon nanofibers, with the electrospinning deposition technique.

Il lavoro di tesi si è concentrato sulla preparazione e l’ottimizzazione dell’anodo a base di ZnS come materiale attivo per le batterie agli ioni sodio. Lo studio si è focalizzato sulla sintesi del solfuro di zinco stechiometrico (ZnS) e drogato rame e sulla preparazione di compositi ZnS/matrice carboniosa, per realizzare un anodo dalle caratteristiche adeguate a risolvere alcune delle problematiche ancora aperte sull’efficienza della sua prestazione elettrochimica(significativa variazione di volume del materiale attivo durante l’inserimento/estrazione dello ione Na+ nei processi di carica/scarica, scarsa conducibilità elettronica del materiale). Per preparare i materiali si sono scelte due diversi metodi di sintesi in soluzione, sol-gel ed idrotermale, al fine di ottenere un particolato il più possibile nanometrico e per introdurre facilmente nel campione una seconda componente carboniosa dalle caratteristiche morfologiche e strutturali adeguate. Il drogaggio rame al 10% e al 20% in moli è invece stato scelto sulla base delle dimensioni simili di Cu e Zn e perché il rame è elettrochimicamente attivo nell’intervallo anodico come fase CuS. L’anodo è stato preparato con le tecniche tradizionali della stesa, ma si è svolto uno studio sistematico sulla composizione dell’inchiostro testando diversi carboni e leganti, per ottenere la giusta consistenza della stesa, e diversi elettroliti per migliorare il trasporto degli ioni Na. Infine, sono stati condotti alcuni studi preliminari sulla preparazione e caratterizzazione elettrochimica di un elettrodo self-standing, ottenuto caricando il materiale attivo ZnS-ossido di grafene nelle nanofibre di carbonio, con tecnica di deposizione per elettrospinning.