IMMAGAZZINARE ENERGIA: GLI ACCUMULATORI ELETTROCHIMICI Prof. Nerino Penazzi

+ - catodo anodo Cosa è un accumulatore elettrolita Cominciamo dalla pila Consideriamo un circuito elettrico costituito da : Elettrodo anodo Elettrodo catodo Elettrolita Utilizzatore All’anodo avviene una reazione SPONTANEA che “spinge” fuori elettroni; Al catodo avviene una reazione SPONTANEA che “attrae” elettroni; L’elettrolita serve a traghettare specie cariche (ioni) da un elettrodo all’altro per chiudere il circuito L’utilizzatore sfrutta il lavoro elettrico generato dagli elettroni che si muovono SPONTANEAMENTE anodo catodo + - Ielettr Iionica cationi anioni reazione anodica reazione catodica elettrolita utilizzatore

Reazione elettrochimica: R => P spontanea Ie Se la reazione non è ricostituibile → Pila propriamente detta o generatore primario + - R P Ie Se la reazione è ricostituibile→ accumulatore scarica carica - +

Più accumulatori in serie: BATTERIA

Passaggio di corrente elettrica Comportamento dell’accumulatore Tensione: energia che un elettrone trasferisce sotto forma di lavoro elettrico all’utilizzatore quando viene spostato un elettrone Corrente: numero di elettroni che, nell’unità di tempo entrano ed escono dall’utilizzatore E Circuito aperto E = tensione reversibile (forza elettromotrice) Circuito chiuso V(I) = tensione sotto carico Passaggio di corrente elettrica Flusso degli elettroni V V è minore di E e dipende dalla intensità di corrente I

Capacità: quantità di elettricità, espressa in Ah, che la batteria è in grado di erogare durante la scarica a corrente costante. Indica quanta carica (n. di elettroni) è “versata” nell’utilizzatore a circuito chiuso. Più velocemente la verso (maggiore è la I) più “ne spando in giro” cioè meno ne va nell’utilizzatore Energia specifica: l’energia erogata dal generatore riferita all’unità di massa o di volume dello stesso. Usualmente viene data in Wh/kg o in Wh/L. Quanta energia può essere trasferita come lavoro elettrico per far funzionare l’utilizzatore Dipende dalla quantità di carica (n. di elettroni) e da V Potenza specifica: energia erogata in un certo tempo riferita alla massa o al volume dello stesso. Viene espressa in W/kg o in W/L. Indica quanta energia può essere trasferita come lavoro elettrico istantaneamente. Più è alta I e maggiore è V più la potenza è grande

X Scarica: il processo con il quale uso le cariche accumulate per far funzionare l’utilizzatore X scarica carica X Carica: il processo con il quale “riempio” la cella di cariche (elettroni)

Capacità specifica (mAh/g) Numero di cicli Durata ai cicli

Gli accumulatori oggi (quasi tutti) tensione (V) en. spec. (Wh/kg) densità di en. (Wh/L) costo/kWh numero di cicli al piombo VRLA 2.0 35 80 50 200 Ni/Cd 1.2 50 170 200 600 - 1000 Ni/MH 1.2 90 330 200 300-500 A ioni di litio 3.7 165 330 500

Una storia speciale: l’accumulatore al litio Litio: metallo leggero (0.5 g/cm3), molto reattivo, E = 3.05 V) SANYO pila al litio Pila Li-ioduro Accumulatore a ioni di litio SONY: Cella a ioni di litio a spirale SONY: Cella Con elettrolita polimerico

l’accumulatore al litio ELETTRONICA CONSUMER IL VEICOLO ELETTRICO Requisiti per un accumulatore da trazione elettrica: materiali a basso costo disponibili in grandi quantità non inquinanti processi industriali a bassa tecnologia alto livello di sicurezza

Cella a ioni di litio

Cella a ioni di litio Cathode Graphite anode Rocking chair mechanism Generator (Charge) Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Graphite anode Rocking chair mechanism

ILED 2012 POLITECNICO DI TORINO One-Shot Process to obtain Polymer Electrolyte Membranes Monomers RTILs LiTFSI photo-initiator Max 3 min Flexible Self standing Easy to handle Transparent 28 mWcm-2 Mixture exposed to UV light for 3 mins. No separate electrolyte synthesis step. 5 min ready to use membrane ILED 2012 POLITECNICO DI TORINO

Accumulatore a ioni di litio LiFePO4 grafite elettrolita

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A cosa servono gli accumulatori al litio Veicoli a trazione elettrica Immagazzinamento di energia elettrica da fonti di energia aleatorie

Veicolo elettrico puro ( solo motore elettrico)

Veicolo elettrico ibrido (motore elettrico-motore a combustione interna) Non risolve completamente il problema dell’inquinamento. Risponde ai seguenti scopi: Ridurre consumo di carburante e l’emissione di CO2 mantenendo prestazioni e comfort di un’auto convenzionale Migliorare le prestazioni con una certa riduzione del consumo di carburante Rendere massime le prestazioni dell’autoveicolo con lo stesso consumo di carburante

Immagazzinamento di energia elettrica FOTOVOLTAICO EOLICO SORGENTI RINNOVABILI MA ALEATORIE (20-30 % presenza in rete) gli accumulatori accumulo di energia prodotta quando non viene usata o usata parzialmente fornitura di energia nei momenti in cui è necessaria e non viene prodotta

In conclusione La batteria: immagazzinatore diretto di energia elettrica c’è spazio per un miglioramento delle prestazioni (cella a ioni di Litio) la gestione sicura è un aspetto critico alto costo Importanza crescente: veicolo elettrico unico realmente non inquinante (alto costo) stabilizzazione reti elettriche in presenza di fotovoltaico e solare, passo obbligato per lo sviluppo delle sorgenti rinnovabili quando soffia il vento del cambiamento, c’è chi costruisce mura e chi costruisce mulini a vento