Batterie allo stato solido "Anode-Free": ottimizzazione di collettori di corrente a base di Cu-Al

My dissertation is focused on the creation and optimization of Copper-Aluminum current collectors in anode-free system for All Solid- State Batteries (ASSBs), containing non-flammable solid electrolytes; as advantages, they guarantee greater safety, better performance, a higher energy density and a more compact form, overcoming the limitations of LIBs. The crucial objective of the work was to find ways of stabilizing the “β phase” from the Cu-Al phase diagram: in fact, it undergoes an eutectoid transformation at low temperatures, causing the formation of an intermetallic compound, which leads to low performance alloys. During the first experimental phase of the project, Copper-Aluminum alloys, with composition of 85-15%, 80-20%, 75-25% of Cu-Al, have been synthesized; in addition, quenching treatments, in salt solution, have been performed to increase the mechanical properties, as an increased strength and less brittle. The samples have been characterized through Scanning Electron Microscopy (SEM) and EDS technique; X-ray Diffraction was used to perform phase analysis. The fragility of the alloys with a higher percentage of Al, caused by the formation of intermetallic compounds, led to the second experimental phase: Cu/Al -based alloys have been created with the addition of other elements such as Manganese and Nickel to increase the field of existence of β phase and to stabilize it, through heat treatments with high cooling rates. For this purpose, Melt Spinning technique has been used to obtain, with rapid solidification, metal tapes of appropriate size and thickness to be used as current collectors in anode-free cells; in addition, a thermal treatment in a vertical furnace, with subsequent cooling in a bath of water and ice, has been performed. The characterization was made up with SEM-EDS and X-Ray diffraction.

La mia tesi di laurea è incentrata sulla creazione e sull'ottimizzazione di collettori di corrente in rame-alluminio in sistemi anode-free per Batterie allo Stato Solido (ASSBs), contenenti elettroliti solidi non infiammabili; come vantaggi, garantiscono una maggiore sicurezza, migliori prestazioni, una più alta densità energetica e una forma più compatta, superando i limiti delle LIBs. L'obiettivo cruciale del lavoro è stato quello di trovare il modo di stabilizzare la “fase β” dal diagramma di fase Cu-Al: infatti, essa subisce una trasformazione eutettoidica a basse temperature, causando la formazione di composti intermetallici, che porta a leghe a basse prestazioni. Durante la prima fase sperimentale del progetto, sono state sintetizzate leghe di rame-alluminio, con composizione dell'85-15%, 80-20%, 75-25% di Cu-Al; inoltre, sono stati eseguiti trattamenti di tempra, in soluzione salina, per aumentare le proprietà meccaniche, come una maggiore resistenza e una minore fragilità. I campioni sono stati caratterizzati attraverso la microscopia elettronica a scansione (SEM) e la tecnica EDS; la diffrazione dei raggi X è stata utilizzata per eseguire l'analisi delle fasi. La fragilità delle leghe con una maggiore percentuale di Al, causata dalla formazione di composti intermetallici, ha portato alla seconda fase sperimentale: Sono state create leghe a base di Cu/Al con l'aggiunta di altri elementi come Manganese e Nichel per aumentare il campo di esistenza della fase β e per stabilizzarla, attraverso trattamenti termici con elevate velocità di raffreddamento. A tal fine, è stata utilizzata la tecnica del Melt Spinning per ottenere, con rapida solidificazione, nastri metallici di dimensioni e spessori adeguati da utilizzare come collettori di corrente in celle prive di anodi; inoltre è stato eseguito un trattamento termico in forno verticale e successivo raffreddamento in un bagno di acqua e ghiaccio. La caratterizzazione è stata effettuata con SEM-EDS e diffrazione a raggi X.