Silvia Bodoardo
Dip. Scienza dei Materiali e Ing. Chimica - Politecnico di Torino
[email protected]
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Torino Polito 3-6-10
•Questioni aperte:
energia
•Sistemi a propulsione
elettrica
•Quali e quante
batterie
•La batteria al piombo
•La batteria al litio
•Celle a ioni di litio
•Celle litio-polimero
•Questioni aperte:
futuro della batteria
La propulsione oggi è principalmente legata ai combustibili
fossili, regalo della natura.
Diverse problematiche:
• i costi di estrazione stanno aumentando
• in un prossimo futuro rimarranno pozzi non esauriti solo in
particolari zone della terra (medio oriente) con pericolose
conseguenze politiche.
Petrolio “facile”
Petrolio “difficile”
Picchi di
estrazione
di petrolio
e gas
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•Questioni aperte:
futuro della batteria
Estrarre petrolio oggi è difficile e costoso
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•Questioni aperte:
futuro della batteria
E’ irrinunciabile ridurre la produzione di CO2 e
degli altri inquinanti
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Nel futuro, ma già oggi abbiamo due grandi sfide:
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•Questioni aperte:
futuro della batteria
1. Cercare nuove fonti di energia: sole, vento…
Queste sono però fonti discontinue
X
energia
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2. Accumulare energia da utilizzare quando e dove richiesto
Lo stadio di produzione della energia elettrica viene separato
dallo stadio di utilizzazione
Sistema di
accumulo:
batteria
energia
energia
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futuro della batteria
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futuro della batteria
City car Pininfarina B0 in
collaborazione con Bolloré, "esperta"
in batterie ai polimeri di litio.
ibrida (motore elettrico più quello a
scoppio)
Da 0 a 50 km/h in 4,9 secondi; 130
km/h di velocità massima. In più
un'autonomia di 250 km.
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Oggi il componente del
Emas Ital Design Giugiaro
veicolo elettrico che ne
limita le prestazioni è la
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batteria
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Scarica
alla piastra +: PbO2(s)+4 H+(aq)+SO2-4(aq)+2 e- PbSO4(s)+H2O
catodo
alla piastra -: Pb(s) + SO2-4 (aq) PbSO4(s) + 2 eanodo
Carica: la + diventa anodo e la - diventa catodo
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Sovraccarica: + 2H2O(l)
O2(g)+ 4H+(aq)+ 4 e-;
- 4H(aq)++ 4e2H2(g)
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ieri
oggi
domani
Fuel Cell
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NiMH
I sistemi Li-ione sono sicuramente preferibili per le maggiori
densità di energia principalmente legate al basso peso dei
materiali.
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elettrolita
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Catodo Anodo
Catodo : LiMn2O4 spinello Anodo : foglio di Li metallico
LiCoO2 cobaltite
LiM+nOx
carica
M+(n+1)Ox + Li+ + e
Ossidazione del metallo che aumenta il suo nox
Li+ + e
Li
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Litio
e
Catodo
Litio metallico
Strato passivato
litio
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 sistema semplice e poco costoso
 possibilità di alte correnti
 reattività del litio, problemi di sicurezza.
 “shape changing” in ricarica durante la rideposizione
del litio.
 eccessivo uso di litio.
-
Litio “morto”
Corto circuito
rideposizione
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futuro della batteria
e-
Cathode
Li+
Li+
Li+
Li+
e-
Generator
(Charge)
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
Graphite anode
Rocking chair mechanism
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Cella Litio - ione
CATODO:
Composti ad intercalazione
Spesso ossidi poco conduttivi
Limite intrinseco del materiale:
Scarsa conducibilità elettronica
Lavora solo parzialmente:
necessità di elevata area
superficiale
Materiali nanometrici e/o porosi
Per aumentare la conducibilità
elettronica
Aggiunta di carbonio
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futuro della batteria




maggiore sicurezza
maggiore affidabilità
con nuovi materiali basso costo
minimo consumo di litio
Catodo
Separatore
Con elettrolita
liquido
 sistema leggermente
più complesso
Anodo
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futuro della batteria
E’ ancora una cella a ioni di litio
Elettrolita è costituito da una membrana polimerica a
conduzione di Li+
Catodo
Membrana
 Migliore affidabilità
elettrolitica
 Costo minore
 Processo di fabbricazione semplificato
Anodo
 Forma adattabile alle necessità di litio
 Cella sottile e flessibile
Membrana
elettrolitica
 Migliori proprietà meccaniche
Catodo
 Più stabile cioè più sicuro
Li+
-
-
-
-
-
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•Dai MATERIALI che quindi devono essere:
 materiali a basso costo
 disponibili in grandi quantità
 non inquinanti
 processi industriali a bassa
tecnologia
 alto livello di sicurezza
•Dalla costruzione della cella e dall’assemblaggio delle celle che deve essere
STANDARDIZZATO
•Dal meccanismo di controllo della TEMPERATURA dell’accumulatore a bordo veicolo
•Dalla strumentazione di controllo del funzionamento della batteria
Al Politecnico di Torino abbiamo concentrato la ricerca su questi
temi e siamo pronti a passare dal livello di laboratorio al livello
pre-industriale
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Electrochemistry group at the Politecnico di Torino
Department of Material Science and Chemical Engineering
Paolo Spinelli – Full Professor
Nerino Penazzi – Associate Professor
Silvia Bodoardo – Assistant Professor
Carlotta Francia – Assistant Professor
Claudio Gerbaldi – Researcher
Giuseppina Meligrana – Technician
Jijeesh Ravi Nair – PostDoc felloship
Francesca Di Lupo – Ph.D student
Matteo Destro – Ph.D student
Quiquing Chen – Ph.D student
VjayKumar Ijery – Visiting professor
Nadia Garino – PostDoc fellowship
Aneta Dumitrescu – PostDoc fellowship
Simone Zanarini – PostDoc fellowship
Annalisa Chiappone - Ph.D student
Lara Jabbour - Ph.D student
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al piombo
VRLA
Ni/Cd
Ni/MH
litio
tensione (V)
2.0
1.2
1.2
3.7
energia specifica (Wh/kg)
35
50
90
165
densità di energia (Wh/L)
80
170
330
330
200
>300
densità di potenza (W/kg)
costo unitario
basso
moderato
accettabile
alto
numero di cicli
200
600 - 1000
500-700
1000
Elettrochimica applicazioni
Bodoardo
Silvia
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