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Silvia Bodoardo Dip. Scienza dei Materiali e Ing. Chimica - Politecnico di Torino silvia.bodoardo@polito.it Lingotto 31-1-11

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La propulsione oggi 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 2

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Estrarre petrolio oggi difficile e costoso 3

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E irrinunciabile ridurre la produzione di CO 2 e degli altri inquinanti. Gli effetti sul clima sono ben noti 4

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5 energia X Nel futuro, ma gi oggi abbiamo due grandi sfide: 1. Cercare nuove fonti di energia: sole, vento Queste sono per fonti discontinue

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6 energia 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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8 City car Pininfarina B0 in collaborazione con Bollor, "esperta" in batterie ai polimeri di litio. Da 0 a 50 km/h in 4,9 secondi; 130 km/h di velocit massima. In pi un'autonomia di 250 km.

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Emas Ital Design Giugiaro batteria Oggi il componente del veicolo elettrico che ne limita le prestazioni la batteria

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ierioggi domani Fuel Cell

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I sistemi Li-ione sono sicuramente preferibili per le maggiori densit di energia principalmente legate al basso peso dei materiali.

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*Z.E.B.R.A. un acronimo inglese che significa: Zero Emission Battery Research Activities. al piombo VRLA Ni/CdNi/MH a ioni litio ZEBRA* tensione (V)2.01.2 3.72,35 en. spec. (Wh/kg)355090165143 densit di en. (Wh/L)80170330 325 costo unitariobassomoderatoaccettabilealtoaccettabile numero di cicli200600 - 1000300-50010003000 Costs /kWh 130 620 650 475

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Dai MATERIALI che quindi devono essere: materiali a basso costo disponibili in grandi quantit 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 dallassem- blaggio delle celle che deve essere STANDARDIZZATO Dal meccanismo di controllo della TEMPERATURA dellaccumulatore a bordo veicolo Dalla strumentazione di controllo del funzionamento della batteria

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15 anodocatodo I costi e le caratteristiche della batteria sono principalmente legati ai materiali utilizzati

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16 Anode MaterialAverage VoltageGravimetric CapacityGravimetric Energy Graphite (LiC 6 )0.1-0.2 V372 mAh/g 0.0372-0.0744 kWh/kg kWh Titanate (Li 4 Ti 5 O 12 )1-2 V160 mAh/g0.16-0.32 kWh/kg Si (Li 4.4 Si)0.5-1 V4212 mAh/g2.106-4.212 kWh/kg Ge (Li 4.4 Ge)0.7-1.2 V1624 mAh/g1.137-1.949 kWh/kg Il materiale deve: - essere a basso impatto ambientale - avere elevata capacit specifica - lavorare a bassa tensione - essere stabile termicamente e da un punto di vista volumico - essere caricabile velocemente - fornire unalta densit di energia durante la scarica - costare poco anodocatodo

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18 Il materiale deve: - essere a basso impatto ambientale - avere elevata capacit specifica - lavorare ad alta tensione - essere stabile termicamente - essere caricabile velocemente - fornire unalta densit di energia durante la scarica - costare poco anodocatodo

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LiFePO 4 /C Charge 1C LiFePO 4 /C : risultati importanti a regimi di scarica e ricarica ultraveloci. Materiale a basso impatto ambientale, intrinsicamente sicuro, a basso costo, sintesi semplice e veloce IN FASE DI BREVETTAZIONE Pronto per la produzione

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20 Comunemente si tratta di Sali di litio disciolti in solventi organici Tutti solventi organici. Infiammabili! CELLE LITIO POLIMERO CELLE LITIO POLIMERO: E ancora una cella a ioni di litio Elettrolita costituito da una membrana polimerica a conduzione di Li + la cella con elettrolita polimerico presenta: - Migliore affidabilit - Costo minore - Processo di fabbricazione semplificato - Forma adattabile alle necessit - Cella sottile e flessibile - Migliori propriet meccaniche - Pi stabile cio pi sicuro - - - - - - - - - - Li + anodocatodo

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Gli elettroliti polimerici sono pi 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.

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Batteria Litio zolfo

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Sistema Litio-aria Finanziamento MIUR PRIN2008 24 Lithium based cell 190 Wh/kg cell Gasoline/air heat of combustion (30% eff) 4000 Wh/kg Li - OX Specific energy : 11000 Wh/(kg am) 3500 Wh/(kg cell) Li - OX Specific energy : 2800 Wh/(kg cell) energy

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EU Community Project acronym: SMART-EC MSE Industria 2015 Progetto ALADIN MIUR PRIN 2008 progetto su Litio-aria Regione Piemonte: Progetto C116 Other investors : 25 electrochemistry people e tutti voi per la cortese attenzione

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Innovative, low cost and environmentally friendly preparation, structural- morphological characterization and electrochemical testing of new electrode materials and electrolytes for both Li-ion batteries and Fuel Cells. New catalysts & catalyst supports (Pt-supported mesoporous carbons, Pt-Co alloys) Nanostructured cathodes (LiFePO 4, FePO 4, Vanadates, LiMn 2 O 4 ) 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). Actual main research lines Fuel Cells Li-ion cells New projects Li-air batteries (national funding) Electrochromic materials (European funding) 28

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Alte prestazioni Sicurezza Affidabilit Materiali a basso costo Produzione semplice e poco costosa Grandi quantit Ecocompatibilit Alto valore di energia/potenza specifica Alto valore di densit di energia/potenza ELETTRODI Materiali nanostrutturati: La superficie specifica viene aumentata Permette alle reazioni di avvenire a livello nanometrico in modo pi efficiente. ELETTROLITA Materiale polimerico: conduttore di ioni litio flessibile Facilmente formabile Stabile Basso costo di produzione

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CONSUMO GIORNALIERO DI PETROLIO IN U. S. A. PER IL TRASPORTO (previsioni DOE) Milioni di barili al giorno Steven G. Chalk a, James F. Miller b, Journal of Power Sources 159 (2006) 738 0

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Milioni di barili al giorno Steven G. Chalk a, James F. Miller b, Journal of Power Sources 159 (2006) 738 0 CONSUMO GIORNALIERO DI PETROLIO IN U. S. A. PER IL TRASPORTO (previsioni DOE)

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Steven G. Chalk a, James F. Miller b, Journal of Power Sources 159 (2006) 738 0 Milioni di barili al giorno VEICOLO ELETTRICO PURO

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LA BATTERIA A IONI DI LITIO Composti di LITIO PRODUZIONE Materiali (livello componenti) Assemblaggio e gestione (livello cella)

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