Silvia BodoardoDip. Scienza dei Materiali e Ing. Chimica - Politecnico di Torino

silvia.bodoardo@polito.it

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.

Picchi di estrazione di petrolio e gas

Petrolio “facile” Petrolio “difficile”

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Estrarre petrolio oggi è difficile e costoso3

E’ irrinunciabile ridurre la produzione di CO2 e degli altri inquinanti. Gli effetti sul clima sono ben noti

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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.Da 0 a 50 km/h in 4,9 secondi; 130 km/h di velocità massima. In più un'autonomia di 250 km.

Emas Ital Design GiugiaroOggi il componente del veicolo elettrico che ne limita le

prestazioni è la batteria batteria

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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.

*Z.E.B.R.A. è un acronimo inglese che significa: Zero Emission Battery Research Activities.

al piombo VRLA

Ni/Cd Ni/MHa 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

Costs €/kWh 130 620 650 475

•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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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- 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

anodo catodo

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Il materiale deve:

- 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

anodo catodo

LiFePO4/CCharge 1C

LiFePO4/C : risultati importanti a regimi di scarica e ricarica ultraveloci.

Materiale a basso impatto ambientale, intrinsicamente sicuro, a basso costo, sintesi semplice e veloceIN FASE DI BREVETTAZIONEIN FASE DI BREVETTAZIONE

Pronto per la produzionePronto per la produzione

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Comunemente si tratta di Sali di litio disciolti in solventi organici

Tutti solventi organici. Infiammabili!CELLE LITIO POLIMEROCELLE LITIO POLIMERO: E’ ancora una cella a ioni di litioElettrolita 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

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

- - - - -Li+Li+Li+

anodo catodo

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 zolfoBatteria Litio zolfo

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Sistema Litio-ariaFinanziamento MIURPRIN2008

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Lithium based cell190 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)

ener

gy

EU CommunityProject acronym: SMART-EC

MSE – Industria 2015Progetto ALADIN

MIUR – PRIN 2008 progetto su Litio-aria

Regione Piemonte: Progetto C116

Other investors :

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“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 (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).

Actual main research linesActual main research lines

Fuel CellsFuel Cells

Li-ion cellsLi-ion cells

New projectsNew projects Li-air batteries (national funding) Electrochromic materials (European funding)

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ELECTROCHEMISTRYRESEARCH GROUP

@ Politecnico di Torino

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• 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

ELETTRODI

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)

Mili

oni d

i bar

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Steven G. Chalk a, James F. Miller b,∗ Journal of Power Sources 159 (2006) 73–80

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Steven G. Chalk a, James F. Miller b,∗ Journal of Power Sources 159 (2006) 73–80

CONSUMO GIORNALIERO DI PETROLIO IN U. S. A. PER IL TRASPORTO (previsioni DOE)

CONSUMO GIORNALIERO DI PETROLIO IN U. S. A. PER IL TRASPORTO (previsioni DOE)

Steven G. Chalk a, James F. Miller b,∗ Journal of Power Sources 159 (2006) 73–80

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VEICOLO ELETTRICO PURO

LA BATTERIA A IONI DI LITIO

PRODUZIONE

Materiali(livello componenti)

Assemblaggio e gestione

(livello cella)

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