Battery ageing from a materials science perspective

The transition to a low-carbon energy system has placed batteries at the core of modern energy infrastructures, with lithium-ion (LIB) and lead-acid (LAB) technologies playing a dominant role in mobility, stationary storage, and renewable integration. Despite remarkable advances, degradation remains a key limitation, reducing lifetime, safety, and recyclability. This thesis addresses battery ageing from a materials science perspective, combining electrochemical diagnostics, advanced imaging and spectroscopy, and experimental modelling to connect performance decay to its physicochemical origins. The research spans multiple chemistries and scales, from laboratory to industrial relevance. Non-destructive and high-resolution techniques are used to reveal how structural, morphological, and chemical changes—such as active material softening, interface decohesion, particle fracture, and irreversible redox shifts—emerge and evolve under different operating or processing conditions. Experimental parameterization methods link these materials-level descriptors to predictive battery models, enabling more accurate lifetime forecasting and the identification of critical degradation pathways. Furthermore, the study extends the degradation framework to end-of-life, assessing how pre-recycling processes, such as binder removal, can influence the integrity and reusability of active materials. Overall, the work highlight that degradation is multi-mechanism and context-dependent, requiring integrated approaches that merge characterization, modelling, and recycling science. By coupling experimental evidence with predictive frameworks, this research supports the development of more durable, predictable, and recyclable energy storage systems, and lays the groundwork for future “battery passports” that encode the materials history to guide both usage and recovery strategies.

La transizione verso un sistema energetico a basse emissioni di carbonio ha posto le batterie al centro delle infrastrutture energetiche moderne, con le tecnologie agli ioni di litio (LIB) e al piombo-acido (LAB) che rivestono un ruolo dominante nella mobilità, nello stoccaggio stazionario e nell’integrazione delle energie rinnovabili. Nonostante i notevoli progressi compiuti, il degrado rimane una limitazione chiave, riducendo la durata, la sicurezza e la riciclabilità dei dispositivi. Questa tesi affronta il tema dell’invecchiamento delle batterie da una prospettiva di scienza dei materiali, combinando diagnostica elettrochimica, tecniche avanzate di imaging e spettroscopia, e modellazione sperimentale, al fine di collegare il decadimento delle prestazioni alle sue origini fisico-chimiche. La ricerca abbraccia diverse chimiche e scale, dal laboratorio fino alla rilevanza industriale. Tecniche non distruttive e ad alta risoluzione vengono impiegate per rivelare come i cambiamenti strutturali, morfologici e chimici — come l’ammorbidimento del materiale attivo, la decoesione delle interfacce, la frattura delle particelle e gli spostamenti redox irreversibili — emergano ed evolvano in diverse condizioni operative o di trattamento. I metodi di parametrizzazione sperimentale consentono di collegare questi descrittori a livello di materiale a modelli predittivi di batteria, permettendo una previsione più accurata della durata e l’identificazione dei percorsi critici di degradazione. Inoltre, lo studio estende il quadro di analisi del degrado fino alla fine vita, valutando come i processi di pre-riciclo, come la rimozione del legante, possano influenzare l’integrità e la riutilizzabilità dei materiali attivi. Nel complesso, il lavoro evidenzia come il degrado sia un fenomeno multi-meccanismo e dipendente dal contesto, richiedendo approcci integrati che combinino caratterizzazione, modellazione e scienza del riciclo. Unendo evidenze sperimentali e modelli predittivi, questa ricerca supporta lo sviluppo di sistemi di accumulo energetico più durevoli, prevedibili e riciclabili, ponendo le basi per i futuri “battery passport”, in grado di codificare la storia dei materiali per guidare strategie di utilizzo e recupero.