[en] Summary Sodium-ion batteries (SIBs) are emerging as a promising alternative to lithium-ion batteries (LIBs) for large-scale energy storage applications. However, the development of high-performance carbon anodes is critical for the successful implementation of SIBs. This work focuses on the production of engineered hard carbons derived from vine shoots to be used as anodes for SIBs, aiming to address current challenges related to coulombic efficiency, energy density, and cycling stability. In this thesis, a comprehensive study was conducted to explore various synthesis strategies for producing hard carbons from vine shoots, an abundant biomass resource. The research involved optimising pyrolysis and hydrothermal carbonisation processes to tailor the properties of the resulting hard carbons, enhancing their electrochemical performance. A primary aim of this thesis was to provide the necessary knowledge and tools needed to accurately evaluate the performance of carbon-based anodes and guide its optimisation. The outcomes of two exhaustive reviews offer a comprehensive guideline on producing hard carbons from plant-derived biomass and properly assessing their electrochemical performance. Through a comprehensive experimental study, it was found that the annealing temperature significantly influenced the structure and morphology of vine shoot-derived hard carbons. At 1200 °C, the hard carbon achieved a suitable balance between the growth of pseudographitic domains and the retention of microporosity, defects, and functional groups, delivering the highest reversible capacity. The synthesis of nitrogen-doped hard carbons through a co-hydrothermal pre-treatment of vine shoots and pig manure was also investigated. This method improved the micro- and ultra-microporosity of the resulting hard carbon and introduced nitrogen, and, to a lesser extent, phosphorus and sulphur, as doping elements. Investigating various ester- and ether-based electrolytes revealed that NaPF6 in diglyme (DGM) was the best formulation, due to its thinner and more stable solid electrolyte interphase (SEI). Using different acids (HNO3, HCl, H2SO4, and H3PO4) during the hydrothermal carbonisation pre-treatment significantly affected the carbon properties. Acid treatments promoted the development of ordered structures and increased porosity to varying degrees, resulting in carbons with diverse pore structures, 2D morphologies, graphitization degrees, and chemical compositions on surface. These relatively ordered and porous carbons, combined with a DGM-based electrolyte, exhibited outstanding high-rate capabilities. Overall, this thesis demonstrates that vine shoots can be effectively converted into high-performance hard carbon anodes for SIBs through diverse controlled thermochemical processes. The synthesis methods studied here open new avenues for the valorisation of forestry and agricultural wastes towards high-value carbon materials, contributing to a more sustainable future in the field of renewable raw materials for next-generation electrochemical energy storage.

[es] Resumen Las baterías de iones de sodio (SIBs) son una alternativa prometedora a las baterías de iones de litio (LIBs) para aplicaciones de almacenamiento de energía a gran escala. Sin embargo, resulta necesario desarrollar ánodos carbonosos de alto rendimiento para la implementación exitosa de esta tecnología. Este trabajo estudia la producción de carbones duros a partir de sarmientos de vid para su uso como ánodos en SIBs, abordando los desafíos actuales relativos a su eficiencia coulómbica, densidad energética y estabilidad a lo largo de los ciclos de carga/descarga. En esta tesis se exploran diversas estrategias para la síntesis de carbones duros a partir de sarmientos de vid, un recurso abundante y renovable. La investigación se basa en la optimización de los procesos de pirólisis y carbonización hidrotermal para adaptar las propiedades de los carbones duros producidos y mejorar su rendimiento electroquímico. Una de las metas principales de esta tesis es proporcionar el conocimiento y las herramientas necesarios para evaluar con precisión el rendimiento de los ánodos y facilitar el camino hacia su optimización. Para ello, los resultados de dos revisiones bibliográficas ofrecen una guía integral sobre cómo producir carbones duros a partir de biomasa de origen vegetal y cómo caracterizar adecuadamente su rendimiento electroquímico en el contexto de SIBs. Mediante un estudio experimental exhaustivo, se determinó que la temperatura de carbonización influye significativamente en la estructura y morfología de los carbones duros derivados de sarmientos de vid. A 1200 °C, se alcanzó un equilibrio adecuado entre el desarrollo de dominios pseudografíticos y la retención de microporosidad, defectos y grupos funcionales, obteniendo la mayor capacidad de almacenamiento de energía. También se investigó la síntesis de carbones duros mediante pretratamiento hidrotermal de los sarmientos con purín de cerdo. Este método mejoró la micro y ultra-microporosidad del carbón resultante e introdujo nitrógeno, y, en menor medida, fósforo y azufre, como elementos dopantes. La investigación de varios electrolitos basados en ésteres y éteres reveló que la sal NaPF6 disuelta en diglima (DGM) es la mejor opción, gracias a la formación de una interfaz de electrolito sólido (SEI) más delgada y estable. El uso de diferentes ácidos (HNO3, HCl, H2SO4 y H3PO4) durante el proceso hidrotermal también afectó significativamente a las propiedades del carbón producido. Los tratamientos ácidos promovieron en distinto grado el desarrollo de porosidad y la ordenación del carbón, dando lugar a materiales con diversas estructuras porosas, morfologías 2D, grado de grafitización y composición química en superficie. Estos carbones relativamente ordenados y porosos, combinados con un electrolito basado en DGM, mostraron elevadas capacidades reversibles, especialmente a altas intensidades de corriente. En resumen, esta tesis demuestra que los sarmientos de vid pueden transformarse en ánodos carbonosos para SIBs mediante la implementación de diversos procesos termoquímicos. Los métodos de síntesis estudiados abren nuevas vías para la valorización de residuos forestales y agroganaderos en materiales carbonosos de alto valor añadido, contribuyendo así a un futuro más sostenible en el campo de las materias pimas renovables para la nueva generación de sistemas de almacenamiento electroquímico de energía.