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

1. Le frontiere della ricerca per lo sviluppo di batterie sempre più avanzate Silvia Bodoardo Dip. Scienza dei Materiali e Ing. Chimica - Politecnico di Torino silvia.bodoardo@polito.it Lingotto 31-1-11

2. Questioni aperte: quale energia • 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 “difficile” Petrolio “facile” Picchi di estrazione di petrolio e gas

3. Estrarre petrolio oggi è difficile e costoso

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

5. Questioni aperte: quale energia Nel futuro, ma già oggi abbiamo due grandi sfide: 1. Cercare nuove fonti di energia: sole, vento… Queste sono però fonti discontinue X energia

6. Questioni aperte: energia ovunque 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

7. Sistemi a propulsione elettrica

8. Sistemi a propulsione elettrica 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.

9. Batterie: TRAZIONE ELETTRICA Oggi il componente del veicolo elettrico che ne limita le prestazioni è la batteria Emas Ital Design Giugiaro

10. quante BATTERIe?

11. SCEGLIERE…QUALe BATTERIA? ieri oggi domani Fuel Cell

12. SCEGLIERE… Caratteristiche I sistemi Li-ione sono sicuramente preferibili per le maggiori densità di energia principalmente legate al basso peso dei materiali.

13. Il confronto Costs €/kWh 130 620 650 475 *Z.E.B.R.A. è un acronimo inglese che significa: Zero Emission Battery Research Activities.

14. Da cosa dipendono costi e prestazioni dell’accumulatore A ioni litio per EV e HEV? • 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’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 Al Politecnico di Torino abbiamo concentrato la ricerca su questi temi e siamo pronti a passare dal livello di laboratorio al livello pre-industriale

15. Batterie: i materiali al centro anodo catodo I costi e le caratteristiche della batteria sono principalmente legati ai materiali utilizzati

16. Materiali: ANODI anodo catodo • 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

17. Materiali: ANODI

18. Materiali: CATODI anodo catodo • 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

19. ricerche sui materiali catodici Lifepo4 LiFePO4/C : risultati importanti a regimi di scarica e ricarica ultraveloci. Materiale a basso impatto ambientale, intrinsicamente sicuro, a basso costo, sintesi semplice e veloce LiFePO4/C Charge 1C IN FASE DI BREVETTAZIONE Pronto per la produzione

20. Materiali: ELETTROLITI 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+ anodo catodo 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 Li+ Li+ Li+ - - - - -

21. Studio su elettroliti polimerici 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.

22. Batterie: LE SFIDE deL FUTURO Batteria Litio zolfo

23. Batterie: LE SFIDE deL FUTURO

24. Batterie: LE SFIDE deL FUTURO Gasoline/air heatofcombustion (30% eff) 4000 Wh/kg Li - OX Specificenergy : 11000 Wh/(kg am) → 3500Wh/(kg cell) Li - OX Specificenergy : 2800Wh/(kg cell) energy Sistema Litio-aria Finanziamento MIUR PRIN2008 Lithiumbasedcell 190 Wh/kg cell

25. “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

28. Actual main research lines 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. 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)

29. Facilities Dry Glove-boxes High vacuum lines Oven for heat treatment in controlled atmophere

30. Battery Testing Systems Potentiostats/Galvanostats Frequency Response Analysers Fuel Cells Testing System

31. Materiali livello componenti ELETTRODI • Materiali nanostrutturati: • La superficie specifica viene aumentata • Permette alle reazioni di avvenire a livello nanometrico in modo più efficiente. • 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 ELETTROLITA • Materiale polimerico: • conduttore di ioni litio • flessibile • Facilmente formabile • Stabile • Basso costo di produzione

32. 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) 73–80

33. 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) 73–80

34. CONSUMO GIORNALIERO DI PETROLIO IN U. S. A. PER IL TRASPORTO (previsioni DOE) Milioni di barili al giorno VEICOLO ELETTRICO PURO Steven G. Chalk a, James F. Miller b,∗ Journal of Power Sources 159 (2006) 73–80

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