Nanotecnologie la chiave di volta per le batterie del futuro AFFIDABILITÀ E TECNOLOGIE Soluzioni innovative e Tecnologie per l’industria e la ricerca Torino - Lingotto Fiere, 14 aprile 2010 ANFIA Associazione Nazionale Filiera Industria Automobilistica Nanotecnologie la chiave di volta per le batterie del futuro e l’auto elettrica Claudio Capiglia Visiting Professor

1- PROFILO 2 – STORIA BATTERIE 3 – PROIEZIONI DI MERCATO 4 – L’EVOLUZIONE della TECNOLOGIA 5 – NANOTECNOLOGIA la chiave di volta 6 – CONCLUSIONE

1- PROFILO

PROFILO 1997 Ricercatore, Batterie al Litio Gel Polimeriche, AIST KANSAI 2000 Progetto Prototipo Batterie al Litio per lo Sviluppo dell’Auto Ibrida, TOYOTA 2004 Dirigente di Ricerca in partnership coi maggiori gruppi industriali Giapponesi, HITEC 2009 Coordinatore Italia-Giappone, Divisione Ricerca & Sviluppo, RECRUIT R&D OSAKA

Industria delle batterie Universita’ e Istituti di Ricerca Pubblici Ricerca di base Utilizzatori Industria: Electronica, Automobilistica, Industria pesante, (Denchi, Jidousha) BATTERIE Costruttori di batterie (Monotsukuri) Fornitori Aziende Materiali, Chimica, Aziende che producono impianti (Zairyou)

2 – STORIA BATTERIE

Pila di Volta 1799 Alessandro VOLTA un elemento della pila strato di rame contatto negativo contatto positivo feltro o cartone imbevuto in soluzione acquosa strato di zinco

Gaston Planté fisico Francese inventa la batteria al piombo nel Batterie al Piombo Gaston Planté fisico Francese inventa la batteria al piombo nel 1859 che diventa la prima batteria ricaricabile ad uso commerciale PbO2 + Pb + 2H2SO4 -> 2PbSO4 + 2H2O

Passato 1899 BATTERIE AL PIOMBO 1920 Presente Nature 451 652 (2008)

Come mai lo sviluppo delle batterie, (concetto relativamente semplice) e’ cosi lento rispetto a quello dell’elettronica? Mancanza di Materiale Elettrodico Mancanza di Elettroliti La difficolta’ a gestire l’interfaccia elettrodo / elettrolita

Batterie al Nichel-Metallo Idruro (NiMH) Lo sviluppo delle batterie ricaricabili al Nichel Metallo Idruro avviene grazie a Masahiko Oshitani della Yuasa Giappone che introduce elettrodi ad alta energia e ai laboratori della Philips e del CNRS francese che sviluppano nel 1970 nuovi materiali ad alta energia per anodi (AB5). MH + NiO(OH) -> M + Ni(OH)2

Batterie al Litio La prima versione commerciale fu creata dalla Sony nel 1991 sotto la direzione di Yoshi Nishi in Giappone a seguito di una ricerca su materiali catodici di un team diretto da John B. Goodenough.

Il perche’ della scelta delle batterie ricaricabili al Litio Nature 414 235 (2001)

3 – PROIEZIONI DI MERCATO

Batterie al litio milioni di celle Cellulari Computer Video Cam. Trapani...... Auto Ibride Altro Journal of Power Sources 195 (2010) 2419

Mercato delle Batterie per auto ibrida numero auto ibride vendute nel mondo (milioni) scenario possibile scenario ottimista Journal of Power Sources 195 (2010) 2419

4 – L’ EVOLUZIONE della TECNOLOGIA

basate sui nanomateriali Batterie al Litio basate sui nanomateriali Nature 451 652 (2008)

Anodo Catodo Li1-xCoO2 Elettroliti organici Litio conduttori Alluminio Collettore di corrente Rame Collettore di corrente Journal of Power Sources 195 (2010) 2419

Elettrolita interfaccia elettrolita solido interfaccia Anodo Catodo Evoluzione gas interfaccia Riduzione elettrolita Meccanismo Decomposizione Ossidazione elettrolita Meccanismo Decomposizione Journal of Power Sources 195 (2010) 2419

Materiale catodico Buona conduttività ionica ed elettronica LiCoO2 Il litio viene intercalato reversibilmente all’interno della struttura Problema: 1) Il cobalto è costoso e tossico 2) Solo metà Litio può essere estratta reversibilmente

Materiali catodici per batterie al litio ricaricabili Capacità Densità Capacità specifica International Workshop on Technology Learning and Deployment June 11-12, 2007 IEA Headquarters, Paris

Materiale catodico LiFePO4 Alta resistenza elettrica, problema risolto con la riduzione delle particelle a scala nanometriche e ricoperte con materiali conduttori come il carbonio

Materiali anodici per batterie al litio ricaricabili Capacità Densità Capacità specifica International Workshop on Technology Learning and Deployment June 11-12, 2007 IEA Headquarters, Paris

Materiali anodici nano-compositi TEM: Morfologia elettrodo composito; Sn Nanometrico in Carbone 100nm Dimensioni di una particella di Sn Capacità specifica mAh/gr-1 Numero di cicli Journal of Power Sources 195 (2010) 2419

Gel Polymer + Electrolyte Elettroliti terza generazione (liquidi ionici) RTIL　or 　RTIL + Polymer seconda generazione Gel　Polymer　+ Electrolyte prima generazione 電解液:　EC, DEC, DMC　+　LiPF6、 １９９１ １９９７ 2003

5 – NANOTECNOLOGIA la chiave di volta

Batterie al solfuro di Litio (Li2S) carbonio meso-poroso riempito con zolfo per evitare che lo zolfo si dissolva durante il processo e aumentarne la conduttività

Batterie al solfuro di Litio (Li2S) Catodo Carbonio mesoporoso/Li2S Nano-composito Gel polimero Anodo Silicio nano-filamenti NANO Letter, Febbraio 2010 Capacità teorica: 1550 Wh/Kg

Litio Batterie Litio - Aria Flusso di elettroni Ossigeno Ossigeno Li2O Ioni litio Carbone Ossido di manganese (catalizzatore) Li2O Ossigeno Litio Ossigeno Elettrolita organico Elettrodo positivo

batterie al litio batterie litio aria convenzionali nuovi sviluppi delle batterie litio aria

Batterie Litio – Aria nuova generazione Scarica Litio Metallico aria Anodo Elettrolita ad aria (carbone) Catalizzatore Elettrolita organico Elettrolita acquoso (forma: LiOH) Elettrolita stato solido Elettrolita stato solido: bassa conducibilità ionica

6 – CONCLUSIONE

Grazie per l’attenzione