Silvia Bodoardo
Dip. Scienza dei Materiali e Ing. Chimica - Politecnico di Torino
[email protected]
Lingotto 31-1-11
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
2
Estrarre petrolio oggi è difficile e costoso
3
E’ irrinunciabile ridurre la produzione di CO2 e degli altri
inquinanti. Gli effetti sul clima sono ben noti
4
Nel futuro, ma già oggi abbiamo due grandi sfide:
1. Cercare nuove fonti di energia: sole, vento…
Queste sono però fonti discontinue
X
energia
5
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
6
7
City car Pininfarina B0 in
collaborazione con Bolloré, "esperta"
in batterie ai polimeri di litio.
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 veicolo
Emas Ital Design Giugiaro
elettrico che ne limita le
prestazioni è la batteria
10
ieri
oggi
domani
Fuel Cell
I sistemi Li-ione sono sicuramente preferibili per le maggiori densità di
energia principalmente legate al basso peso dei materiali.
al
piombo
VRLA
Ni/Cd
Ni/MH
a ioni
litio
ZEBRA*
tensione (V)
2.0
1.2
1.2
3.7
2,35
en. spec. (Wh/kg)
35
50
90
165
143
densità di en. (Wh/L)
80
170
330
330
325
costo unitario
basso
moderato
accettabile
alto
accettabile
numero di cicli
200
600 - 1000
300-500
1000
3000
620
650
Costs €/kWh
130
475
*Z.E.B.R.A. è un acronimo inglese che significa: Zero Emission Battery Research Activities.
•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
anodo
catodo
I costi e le caratteristiche
della batteria sono
principalmente legati ai
materiali utilizzati
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Anode Material
Average Voltage
Gravimetric Capacity
Gravimetric Energy
Graphite (LiC6)
0.1-0.2 V
372 mA·h/g
0.0372-0.0744
kW·h/kg
Titanate (Li4Ti5O12)
1-2 V
160 mA·h/g
0.16-0.32 kW·h/kg
Si (Li4.4Si)
0.5-1 V
4212 mA·h/g
2.106-4.212 kW·h/kg
Ge (Li4.4Ge)
0.7-1.2 V
1624 mA·h/g
1.137-1.949 kW·h/kg
Il materiale deve:
- essere a basso impatto ambientale
anodo
- avere elevata capacità specifica
- lavorare a bassa tensione
- essere stabile termicamente e da un punto di vista “volumico”
- essere caricabile velocemente
- fornire un’alta densità di energia durante la scarica
- costare poco
catodo
16
17
Il materiale deve:
anodo
catodo
- essere a basso impatto ambientale
- avere elevata capacità specifica
- lavorare ad alta tensione
- essere stabile termicamente
- essere caricabile velocemente
- fornire un’alta densità di energia durante la scarica
- costare poco
18
-1
Specific Capacity (mAh g )
180
C/20
C/10
160
C/10
C/5
C/2
140
C/5
1C
2C
1C
3C
5C
120
10C
20C
100
80
60
LiFePO4/C
Charge 1C
40
20
LiFePO4/C : risultati importanti
a regimi di scarica e ricarica
ultraveloci.
Charge
Discharge
0
0
50
100
150
Cycle number
IN FASE DI BREVETTAZIONE
Pronto per la produzione
200
250
300
Materiale a basso impatto
ambientale, intrinsicamente
sicuro, a basso costo, sintesi
semplice e veloce
Comunemente si tratta di Sali di litio disciolti in solventi organici
Tutti solventi organici. Infiammabili!
CELLE LITIO POLIMERO: E’ ancora una cella a ioni di litio
Elettrolita è costituito da una membrana polimerica a conduzione di Li+
la cella con elettrolita polimerico presenta:
- Migliore affidabilità
- Costo minore
- Processo di fabbricazione semplificato
- Forma adattabile alle necessità
- Cella sottile e flessibile
- Migliori proprietà meccaniche
- Più stabile cioè più sicuro
Catodo
Membrana
elettrolitica
Anodo
di litio
Membrana
elettrolitica
Li+
anodo
catodo
Catodo
-
-
-
-
-
20
Gli elettroliti polimerici sono più sicuri di
quelli liquidi soprattutto per la fase di
ricarica della batteria.
Abbiamo messo a punto dei materiali con
ottime caratteristiche elettrochimiche, facili
da produrre anche direttamente sugli
elettrodi per migliorare il contatto tra
elettrodo ed elettrolita.
Batteria Litio zolfo
23
Gasoline/air heat of combustion
(30% eff) 4000 Wh/kg
Li - OX Specific energy : 11000
Wh/(kg am) → 3500 Wh/(kg cell)
energy
Li - OX Specific energy :
2800 Wh/(kg cell)
Lithium based cell
190 Wh/kg cell
Sistema Litio-aria
Finanziamento MIUR
PRIN2008
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“electrochemistry people”
EU Community
Project acronym: SMART-EC
MSE – Industria 2015
Progetto ALADIN
MIUR – PRIN
2008 progetto su Litio-aria
Regione Piemonte: Progetto C116
Other investors :
… e tutti voi per la cortese attenzione
25
26
27
Actual main research lines
Innovative, low cost and environmentally friendly preparation, structuralmorphological characterization and electrochemical testing of new electrode
materials and electrolytes for both Li-ion batteries and Fuel Cells.
Fuel Cells
New catalysts & catalyst supports (Pt-supported mesoporous carbons,
Pt-Co alloys)
Li-ion cells
Nanostructured cathodes (LiFePO4, FePO4, Vanadates, LiMn2O4) by
different synthetic methods: solid-state, sol-gel and mild template
assisted hydrothermal synthesis.
Nanostructured anodes (Ni-Sn, NiCu-Sn, NiSi alloys) by mechanical
activation (ball-milling).
Solid and gel-polymer electrolytes (methacrylic- / siloxane-based, ionic
liquids).
New projects
Li-air batteries (national funding)
Electrochromic materials (European funding)
28
ELECTROCHEMISTRY
RESEARCH GROUP
@ Politecnico di Torino
29
30
ELETTRODI
• Alte prestazioni
• Sicurezza
• Affidabilità
• Materiali a basso costo
• Produzione semplice e poco
costosa
• Grandi quantità
• Ecocompatibilità
• Alto valore di energia/potenza
specifica
• Alto valore di densità di
energia/potenza
Materiali nanostrutturati:
•La superficie specifica viene
aumentata
•Permette alle reazioni di
avvenire a livello nanometrico in
modo più efficiente.
ELETTROLITA
Materiale polimerico:
• conduttore di ioni litio
• flessibile
• Facilmente formabile
• Stabile
• Basso costo di produzione
CONSUMO GIORNALIERO DI PETROLIO IN U. S. A.
PER IL TRASPORTO (previsioni DOE)
18
Milioni di barili al giorno
16
14
12
10
8
6
4
MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA
2
0
2000
2005
2010
2015
2020
2025
2030
2035
2040
2045
2050
Steven G. Chalk a, James F. Miller b,∗ Journal of Power Sources 159 (2006) 73–80
2055
CONSUMO GIORNALIERO DI PETROLIO IN U. S. A.
PER IL TRASPORTO (previsioni DOE)
Milioni di barili al giorno
18
16
14
12
10
8
6
4
MOTORE A COMBUSTIONE
INTERNA
2
VEICOLO ELETTRICO IBRIDO
0
2000
2005
2010
2015
2020
2025
2030
2035
2040
2045
2050
Steven G. Chalk a, James F. Miller b,∗ Journal of Power Sources 159 (2006) 73–80
2055
CONSUMO GIORNALIERO DI PETROLIO IN U. S. A.
PER IL TRASPORTO (previsioni DOE)
Milioni di barili al giorno
18
16
14
12
10
8
6
4
MOTORE A COMBUSTIONE
INTERNA
2
VEICOLO
ELETTRICO
PURO
IBRIDO+CELLA
A COMBUSTIBILE
0
2000
2005
2010
2015
2020
2025
2030
2035
2040
2045
2050
Steven G. Chalk a, James F. Miller b,∗ Journal of Power Sources 159 (2006) 73–80
2055
LA BATTERIA A IONI DI LITIO
Materiali
(livello componenti)
Composti
di LITIO
PRODUZIONE
Assemblaggio
e gestione
(livello cella)
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