Dip. Scienza dei Materiali e Ing. Chimica - Politecnico di Torino dalle batterie al piombo alle batterie a ioni di litio Silvia Bodoardo Dip. Scienza dei Materiali e Ing. Chimica - Politecnico di Torino silvia.bodoardo@polito.it Torino Polito 3-6-10

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. Questioni aperte: energia Sistemi a propulsione elettrica Quali e quante batterie La batteria al piombo La batteria al litio Celle a ioni di litio Celle litio-polimero Questioni aperte: futuro della batteria Petrolio “difficile” Petrolio “facile” Picchi di estrazione di petrolio e gas

Estrarre petrolio oggi è difficile e costoso Questioni aperte: energia Sistemi a propulsione elettrica Quali e quante batterie La batteria al piombo La batteria al litio Celle a ioni di litio Celle litio-polimero Questioni aperte: futuro della batteria Estrarre petrolio oggi è difficile e costoso

Questioni aperte: inquinamento Questioni aperte: energia Sistemi a propulsione elettrica Quali e quante batterie La batteria al piombo La batteria al litio Celle a ioni di litio Celle litio-polimero Questioni aperte: futuro della batteria E’ irrinunciabile ridurre la produzione di CO2 e degli altri inquinanti

Questioni aperte: quale energia Nel futuro, ma già oggi abbiamo due grandi sfide: 1. Cercare nuove fonti di energia: sole, vento… Questioni aperte: energia Sistemi a propulsione elettrica Quali e quante batterie La batteria al piombo La batteria al litio Celle a ioni di litio Celle litio-polimero Questioni aperte: futuro della batteria Queste sono però fonti discontinue X energia

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

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Sistemi a propulsione elettrica City car Pininfarina B0 in collaborazione con Bolloré, "esperta" in batterie ai polimeri di litio. ibrida (motore elettrico più quello a scoppio) Da 0 a 50 km/h in 4,9 secondi; 130 km/h di velocità massima. In più un'autonomia di 250 km. Questioni aperte: energia Sistemi a propulsione elettrica Quali e quante batterie La batteria al piombo La batteria al litio Celle a ioni di litio Celle litio-polimero Questioni aperte: futuro della batteria

Batterie: TRAZIONE ELETTRICA Oggi il componente del veicolo elettrico che ne limita le prestazioni è la batteria Emas Ital Design Giugiaro Questioni aperte: energia Sistemi a propulsione elettrica Quali e quante batterie La batteria al piombo La batteria al litio Celle a ioni di litio Celle litio-polimero Questioni aperte: futuro della batteria

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La batteria al piombo? Scarica Questioni aperte: energia Sistemi a propulsione elettrica Quali e quante batterie La batteria al piombo La batteria al litio Celle a ioni di litio Celle litio-polimero Questioni aperte: futuro della batteria Scarica alla piastra +: PbO2(s)+4 H+(aq)+SO2-4(aq)+2 e- PbSO4(s)+H2O catodo alla piastra -: Pb(s) + SO2-4 (aq) PbSO4(s) + 2 e- anodo Carica: la + diventa anodo e la - diventa catodo

Sicurezza? La batteria al piombo? Questioni aperte: energia Sistemi a propulsione elettrica Quali e quante batterie La batteria al piombo La batteria al litio Celle a ioni di litio Celle litio-polimero Questioni aperte: futuro della batteria Sovraccarica: + 2H2O(l) O2(g)+ 4H+(aq)+ 4 e-; - 4H(aq)++ 4e- 2H2(g) Sicurezza?

SCEGLIERE… QUALe BATTERIA? ieri oggi domani Fuel Cell

SCEGLIERE… Caratteristiche NiMH Questioni aperte: energia Sistemi a propulsione elettrica Quali e quante batterie La batteria al piombo La batteria al litio Celle a ioni di litio Celle litio-polimero Questioni aperte: futuro della batteria I sistemi Li-ione sono sicuramente preferibili per le maggiori densità di energia principalmente legate al basso peso dei materiali.

Batterie al litio LiM+nOx M+(n+1)Ox + Li+ + e Li+ + e Li elettrolita Questioni aperte: energia Sistemi a propulsione elettrica Quali e quante batterie La batteria al piombo La batteria al litio Celle a ioni di litio Celle litio-polimero Questioni aperte: futuro della batteria Catodo Anodo Catodo : LiMn2O4 spinello LiCoO2 cobaltite Anodo : foglio di Li metallico LiM+nOx M+(n+1)Ox + Li+ + e carica Ossidazione del metallo che aumenta il suo nox Li+ + e Li

Batterie al litio sistema semplice e poco costoso possibilità di alte correnti Questioni aperte: energia Sistemi a propulsione elettrica Quali e quante batterie La batteria al piombo La batteria al litio Celle a ioni di litio Celle litio-polimero Questioni aperte: futuro della batteria reattività del litio, problemi di sicurezza. “shape changing” in ricarica durante la rideposizione del litio. eccessivo uso di litio. litio Strato passivato Litio metallico Litio “morto” Catodo Litio Corto circuito e- rideposizione

La cella a ioni di litio Cathode Graphite anode Questioni aperte: energia Sistemi a propulsione elettrica Quali e quante batterie La batteria al piombo La batteria al litio Celle a ioni di litio Celle litio-polimero Questioni aperte: futuro della batteria Cathode Generator (Charge) Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Graphite anode Rocking chair mechanism

Composti ad intercalazione Spesso ossidi poco conduttivi Cella Litio - ione CATODO: Composti ad intercalazione Spesso ossidi poco conduttivi Limite intrinseco del materiale: Scarsa conducibilità elettronica Lavora solo parzialmente: necessità di elevata area superficiale Materiali nanometrici e/o porosi Per aumentare la conducibilità elettronica Aggiunta di carbonio

La cella a ioni di litio maggiore sicurezza maggiore affidabilità con nuovi materiali basso costo minimo consumo di litio Questioni aperte: energia Sistemi a propulsione elettrica Quali e quante batterie La batteria al piombo La batteria al litio Celle a ioni di litio Celle litio-polimero Questioni aperte: futuro della batteria Catodo Anodo Separatore Con elettrolita liquido sistema leggermente più complesso

La cella litio-polimero E’ ancora una cella a ioni di litio Elettrolita è costituito da una membrana polimerica a conduzione di Li+ Questioni aperte: energia Sistemi a propulsione elettrica Quali e quante batterie La batteria al piombo La batteria al litio Celle a ioni di litio Celle litio-polimero Questioni aperte: futuro della batteria 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+ - - - - -

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

Electrochemistry group at the Politecnico di Torino Department of Material Science and Chemical Engineering Paolo Spinelli – Full Professor Nerino Penazzi – Associate Professor Silvia Bodoardo – Assistant Professor Carlotta Francia – Assistant Professor Claudio Gerbaldi – Researcher Giuseppina Meligrana – Technician Jijeesh Ravi Nair – PostDoc felloship Francesca Di Lupo – Ph.D student Matteo Destro – Ph.D student Quiquing Chen – Ph.D student VjayKumar Ijery – Visiting professor Nadia Garino – PostDoc fellowship Aneta Dumitrescu – PostDoc fellowship Simone Zanarini – PostDoc fellowship Annalisa Chiappone - Ph.D student Lara Jabbour - Ph.D student

Elettrochimica applicazioni Silvia Bodoardo al piombo VRLA Ni/Cd Ni/MH litio tensione (V) 2.0 1.2 3.7 energia specifica (Wh/kg) 35 50 90 165 densità di energia (Wh/L) 80 170 330 densità di potenza (W/kg) 200 >300 costo unitario basso moderato accettabile alto numero di cicli 600 - 1000 500-700 1000 Elettrochimica applicazioni Silvia Bodoardo