AFFIDABILITÀ E TECNOLOGIE
Soluzioni innovative e Tecnologie per l’industria e la ricerca
Torino - Lingotto Fiere, 14 aprile 2010
ANFIA Associazione Nazionale Filiera Industria Automobilistica
Nanotecnologie la chiave di volta per le batterie del futuro
e l’auto elettrica
Claudio Capiglia
Visiting Professor
1- PROFILO
2 – STORIA BATTERIE
3 – PROIEZIONI DI MERCATO
4 – L’EVOLUZIONE della TECNOLOGIA
5 – NANOTECNOLOGIA la chiave di volta
6 – CONCLUSIONE
1- PROFILO
PROFILO
1997 Ricercatore, Batterie al Litio Gel Polimeriche, AIST KANSAI
2000 Progetto Prototipo Batterie al Litio per lo Sviluppo dell’Auto Ibrida, TOYOTA
2004 Dirigente di Ricerca in partnership coi maggiori gruppi industriali Giapponesi, HITEC
2009 Coordinatore Italia-Giappone, Divisione Ricerca & Sviluppo, RECRUIT R&D
OSAKA
Industria delle batterie
Universita’ e Istituti di Ricerca Pubblici
Ricerca di base
Utilizzatori
Industria:
Electronica,
Automobilistica,
Industria pesante,
(Denchi, Jidousha)
BATTERIE
Costruttori di batterie
(Monotsukuri)
Fornitori
Aziende Materiali, Chimica,
Aziende che producono impianti
(Zairyou)
2 – STORIA BATTERIE
Pila di Volta
1799
Alessandro VOLTA
1.un elemento della pila
2.strato di rame
3.contatto negativo
4.contatto positivo
5.feltro o cartone imbevuto in soluzione acquosa
6.strato di zinco
Batterie al Piombo
Gaston Planté fisico Francese inventa la batteria al piombo nel
1859 che diventa la prima batteria ricaricabile ad uso commerciale
PbO2 + Pb + 2H2SO4 -> 2PbSO4 + 2H2O
Passato
1899 BATTERIE AL PIOMBO
1920
Presente
Nature 451 652 (2008)
Come mai lo sviluppo delle batterie, (concetto relativamente
semplice) e’ cosi lento rispetto a quello dell’elettronica?
Mancanza di Materiale Elettrodico
Mancanza di Elettroliti
La difficolta’ a gestire l’interfaccia elettrodo / elettrolita
Batterie al Nichel-Metallo Idruro (NiMH)
Lo sviluppo delle batterie ricaricabili al Nichel Metallo Idruro
avviene grazie a Masahiko Oshitani della Yuasa Giappone
che introduce elettrodi ad alta energia e ai laboratori della
Philips e del CNRS francese che sviluppano nel 1970 nuovi
materiali ad alta energia per anodi (AB5).
MH + NiO(OH) -> M + Ni(OH)2
Batterie al Litio
La prima versione commerciale fu creata dalla Sony nel 1991 sotto la
direzione di Yoshi Nishi in Giappone a seguito di una ricerca su materiali
catodici di un team diretto da John B. Goodenough.
Il perche’ della scelta delle batterie ricaricabili al Litio
Nature 414 235 (2001)
3 – PROIEZIONI DI MERCATO
Batterie al litio
Cellulari
Computer
Video Cam.
Trapani......
Auto Ibride
Altro
Journal of Power Sources 195 (2010) 2419
numero auto ibride vendute nel mondo (milioni)
Mercato delle Batterie per auto ibrida
scenario possibile
scenario ottimista
Journal of Power Sources 195 (2010) 2419
4 – L’ EVOLUZIONE della
TECNOLOGIA
Batterie al Litio
basate sui nanomateriali
Nature 451 652 (2008)
Anodo
Rame
Collettore di corrente
Catodo
Elettroliti organici
Litio conduttori
Li1-xCoO2
Alluminio
Collettore di corrente
Journal of Power Sources 195 (2010) 2419
Anodo
interfaccia
elettrolita solido
Elettrolita
Evoluzione gas
Riduzione elettrolita
Meccanismo Decomposizione
Catodo
interfaccia
Ossidazione elettrolita
Meccanismo Decomposizione
Journal of Power Sources 195 (2010) 2419
Materiale catodico
Buona conduttività ionica ed elettronica
LiCoO2
Il litio viene intercalato reversibilmente all’interno della struttura
Problema:
1) Il cobalto è costoso e tossico
2) Solo metà Litio può essere estratta reversibilmente
Materiali catodici
Capacità Densità
Materiali catodici per batterie al litio ricaricabili
Capacità specifica
International Workshop on Technology Learning and Deployment June 11-12, 2007 IEA Headquarters, Paris
Materiale catodico
LiFePO4
Alta resistenza elettrica, problema risolto con la riduzione delle particelle
a scala nanometriche e ricoperte con materiali conduttori come il carbonio
Materiali anodici
Capacità Densità
Materiali anodici per batterie al litio ricaricabili
Capacità specifica
International Workshop on Technology Learning and Deployment June 11-12, 2007 IEA Headquarters, Paris
Materiali anodici nano-compositi
TEM: Morfologia elettrodo composito; Sn Nanometrico in Carbone
Capacità specifica mAh/gr-1
100nm
Dimensioni di una particella di Sn
Numero di cicli
Journal of Power Sources 195 (2010) 2419
Elettroliti
terza generazione (liquidi ionici)
RTIL or RTIL + Polymer
seconda generazione
Gel Polymer + Electrolyte
prima generazione
電解液: EC, DEC, DMC + LiPF6、
１９９１
１９９７
2003
5 – NANOTECNOLOGIA
la chiave di volta
Batterie al solfuro di Litio (Li2S)
carbonio meso-poroso riempito con zolfo per evitare che lo zolfo
si dissolva durante il processo e aumentarne la conduttività
Batterie al solfuro di Litio (Li2S)
Catodo
Carbonio mesoporoso/Li2S
Nano-composito
Gel polimero
Anodo
Silicio nano-filamenti
NANO Letter, Febbraio 2010
Capacità teorica: 1550 Wh/Kg
Batterie Litio - Aria
Flusso di elettroni
Li2O
Ioni litio
Carbone
Ossido di manganese
(catalizzatore)
Li2O
Ossigeno
Litio
Ossigeno
Elettrolita
organico
Elettrodo positivo
batterie al litio
batterie litio aria convenzionali
nuovi sviluppi delle batterie litio aria
Batterie Litio – Aria nuova generazione
Scarica
Litio
Metallico
Anodo
Elettrolita organico
Elettrolita stato solido
aria
Elettrolita ad aria (carbone)
Catalizzatore
Elettrolita acquoso (forma: LiOH)
Elettrolita stato solido: bassa conducibilità ionica
6 – CONCLUSIONE
Grazie per l’attenzione