Silvia BodoardoDip. Scienza dei Materiali e Ing. Chimica - Politecnico di Torino
Torino Polito 3-6-10
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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.
Picchi di estrazione di petrolio e gas
Petrolio “facile” Petrolio “difficile”
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•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
Estrarre petrolio oggi è difficile e costoso3/22
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E’ irrinunciabile ridurre la produzione di CO2 e degli altri inquinanti
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energiaX
Nel futuro, ma già oggi abbiamo due grandi sfide:
1. Cercare nuove fonti di energia: sole, vento…
Queste sono però fonti discontinueQueste sono però fonti discontinue
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energiaenergia
Sistema di accumulo:
batteria
2. Accumulare energia da utilizzare quando e dove richiesto
Lo stadio di produzione della energia elettrica viene separato dallo stadio di utilizzazione
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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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Emas Ital Design GiugiaroOggi il componente del veicolo elettrico che ne
limita le prestazioni è la batteria batteria
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Scaricaalla piastra +: PbO2(s)+4 H+
(aq)+SO2-4(aq)+2 e- PbSO4(s)+H2O
catodoalla piastra -: Pb(s) + SO2-
4 (aq) PbSO4(s) + 2 e-
anodo
Carica: la + diventa anodo e la - diventa catodo
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Sovraccarica: + 2H2O(l) O2(g)+ 4H+(aq)+ 4 e-;
- 4H(aq)++ 4e- 2H2(g)
Sicure
zza?
Sicure
zza?
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ieri oggi domani
Fuel Cell
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I sistemi Li-ione sono sicuramente preferibili per le maggiori densità di energia principalmente legate al basso peso dei materiali.
NiMH
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Catodo Anodo
elettrolita
Catodo : LiMn2O4 spinello LiCoO2 cobaltite
Anodo : foglio di Li metallico
LiM+nOx M+(n+1)Ox + Li+ + ecarica
Ossidazione del metallo che aumenta il suo nox
Li+ + e Li
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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.
CatodoLi
tio
Corto circuito
e-
litio
Strato passivatoLitio metallico
Litio “morto”
rideposizione16/22
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Li+
Li+Li+
Li+ Li+
Li+
Li+Li+
Li+ Li+
Generator(Charge)
e- e-
Graphite anode
Cathode
Rocking chair mechanism
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Cella Litio - ioneCella Litio - ioneCATODO:Composti ad intercalazioneSpesso ossidi poco conduttivi
Lavora solo parzialmente: necessità di elevata area superficiale
Materiali nanometrici e/o porosi
Limite intrinseco del materiale:Scarsa conducibilità elettronica
Aggiunta di carbonio
Per aumentare la conducibilità elettronica
Catodo
Anodo
SeparatoreCon elettrolita liquido
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sistema leggermente più complesso
maggiore sicurezza maggiore affidabilità con nuovi materiali basso costo minimo consumo di litio
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E’ ancora una cella a ioni di litioElettrolita è costituito da una membrana polimerica a conduzione di Li+
Migliore affidabilità Costo minore Processo di fabbricazione semplificato Forma adattabile alle necessità Cella sottile e flessibile Migliori proprietà meccaniche Più stabile cioè più sicuro
C a to d o
C a to d o
Me m b ra n ae le ttro litica
An o d od i litio
Me m b ra n ae le ttro litica
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Li+Li+Li+
•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
Al Politecnico di Torino abbiamo concentrato la ricerca su questi temi e siamo pronti a passare dal livello di laboratorio al livello pre-industriale
•Dalla costruzione della cella e dall’assem-blaggio 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
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Electrochemistry group at the Politecnico di TorinoElectrochemistry group at the Politecnico di Torino
Department of Material Science and Chemical EngineeringDepartment of Material Science and Chemical Engineering
Paolo Spinelli – Full ProfessorNerino Penazzi – Associate ProfessorSilvia Bodoardo – Assistant ProfessorCarlotta Francia – Assistant ProfessorClaudio Gerbaldi – ResearcherGiuseppina Meligrana – TechnicianJijeesh Ravi Nair – PostDoc felloshipFrancesca Di Lupo – Ph.D studentMatteo Destro – Ph.D student Quiquing Chen – Ph.D student VjayKumar Ijery – Visiting professorNadia Garino – PostDoc fellowshipAneta Dumitrescu – PostDoc fellowshipSimone Zanarini – PostDoc fellowshipAnnalisa 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
densità di potenza (W/kg) 200 >300
costo unitario basso moderato accettabile alto
numero di cicli 200 600 - 1000 500-700 1000
Elettrochimica applicazioni Silvia Bodoardo