Sintesi dei materiali, tecniche di caratterizzazione e interpretazione dei dati per batterie e supercondensatori.

This thesis explores the impact of environmental factors and process parameters on the kinetics of electrochemical phenomena, particularly focusing on plating and stripping reactions. A systematic analysis was conducted to examine how various factors influence the structure and performance of electrochemical devices, including the application of magnetic fields during electrodeposition and the variation of the electrolyte composition through the addition of metallic cation additives. The use of magnetic fields was investigated to alter the electrodeposition process, affecting the morphology of the deposited materials via localized convective action, driven by the interaction between the moving charge current and the applied magnetic field. This approach led to more compact and uniform electrodeposited materials compared to the initial conditions. The significance of these findings was further validated by constructing cell prototypes, including batteries and supercapacitors, which were built and tested using industrial grade materials and methods. These prototypes demonstrated the practical relevance of the study. The variation in electrolyte composition, through the addition of metallic cations, was also explored to understand how specific additives influence the deposition process, particularly in terms of morphology and electrochemical properties, such as corrosion resistance and pseudocapacitance. The results highlighted how ions like Zn2+, Al3+, and Fe2+ interact with the electric double layer during the material’s growth phase. The inclusion of these metallic ions within the deposit modified the coating's characteristics, specifically the corrosion potential. A significant part of the study explores the modification of electrodeposited material morphology by adjusting the solution composition. The findings show that ionic additives can influence the electrodeposition kinetics, leading to the formation of metallic foams with unique electrochemical properties. These foams were further treated by applying a hydrophobic coating, demonstrating potential uses in corrosion protection and as current collectors in energy storage systems. Furthermore, a key part of the study focused on synthesizing pseudocapacitive materials through electrodeposition and investigating the impact of magnetic fields during the synthesis process. The results indicate that the Magneto-Hydrodynamic effect produces denser and more uniform deposits, but these structures negatively affect the efficiency and energy storage capacity of the supercapacitors manufactured. Finally, the effect of magnetic fields on the dynamics of lithium metal plating and stripping in lithium-ion batteries has been investigated. The study demonstrates that the interaction between lithium ions, the paramagnetic metallic substrate, and the magnetic field improves electrochemical performance by enhancing mass transfer through localized convection.

In questa tesi viene presentato uno studio dell'effetto della variazione di fattori ambientali e di parametri di processo sulla cinetica dei fenomeni elettrochimici, in particolare reazioni di plating e stripping. Vari fattori sono stati sistematicamente analizzati per determinare la loro influenza sulla struttura e sulle prestazioni dei dispositivi, tra cui l'applicazione di campi magnetici durante l'elettrodeposizione in prossimità della superficie attiva e la variazione della composizione degli elettroliti utilizzati durante l'elettrodeposizione con l'aggiunta di additivi sotto forma di cationi metallici. Il campo magnetico è stato sfruttato come un mezzo per poter modificare la cinetica del processo stesso di elettrodeposizione portando a cambiamenti nella morfologia dei depositi tramite una azione convettiva locale dettata dall'interazione tra la corrente delle cariche in moto e il campo applicato. Questi effetti si sono tradotti in dei materiali elettrodepositati più compatti e uniformi rispetto alla condizione iniziale. La rilevanza dei risultati è stata validata tramite la costruzione di celle, sviluppando dei prototipi di celle di batterie e supercondensatori. Questi prototipi sono stati costruiti e caratterizzati utilizzando materiali e processi di grado industriale, dimostrando anche la rilevanza pratica dei risultati di questo studio. La variazione della composizione dell'elettrolita è stata sfruttata come metodo per verificare quale specifico additivo, sotto forma di catione metallico, potesse interagire maggiormente con il deposito ottenuto durante la sintesi e di conseguenza controllarne la morfologia e le proprietà elettrochimiche, nello specifico in termini di resistenza alla corrosione e pseudo-capacità. I risultati ottenuti dimostrano come le diverse caratteristiche di ioni quali Zn2+, Al3+ e Fe2+ interagiscano in modo complesso con il doppio strato elettrico durante la fase di crescita del materiale, e come l'inclusione dello specifico elemento nel materiale sotto forma metallica possa poi modificare le caratteristiche del rivestimento in termini di potenziale di corrosione. Una parte significativa dello studio è stata dedicata alla modifica della morfologia del materiale elettrodepositato modificando la composizione della soluzione. I risultati dimostrano che gli additivi ionici possono modificare la cinetica dell'elettrodeposizione, portando alla formazione di schiume metalliche con caratteristiche elettrochimiche diverse tra loro. Queste schiume sono state successivamente trattate depositando in superficie un rivestimento di molecole idrofobiche, dimostrando così potenziali applicazioni nella protezione a corrosione e come collettori di corrente nei sistemi di accumulo di energia. Inoltre, una parte fondamentale dello studio è costituita dalla sintesi di materiali pseudocapacitivi tramite elettrodeposizione e dall'indagine dell'effetto dell'esposizione della cella elettrochimica a dei campi magnetici durante il processo di sintesi. I risultati hanno mostrato come l'effetto Magneto-Idrodinamico possa produrre depositi più densi e uniformi, che però si dimostrano peggiorativi in termini di efficienza e accumulo di energia dei supercondensatori costruiti. Infine, è stato studiato l'effetto dei campi magnetici sulla dinamica di plating e stripping di litio su anodi di litio metallico. Lo studio mostra che la interazione tra il lo ione litio, il substrato metallico paramagnetico e il campo magnetico porta a un miglioramento della prestazione elettrochimica con un trasferimento di massa più efficiente, grazie all'introduzione dell'effetto convettivo localizzato.