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

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

Estrarre petrolio oggi è difficile e costoso

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

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

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

Sistemi a propulsione elettrica

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.

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

quante BATTERIe?

SCEGLIERE… QUALe BATTERIA? ieri oggi domani Fuel Cell

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

Il confronto ZEBRA* Costs €/kWh 130 620 650 475 al piombo VRLA Ni/Cd Ni/MH a ioni litio ZEBRA* tensione (V) 2.0 1.2 3.7 2,35 en. spec. (Wh/kg) 35 50 90 165 143 densità di en. (Wh/L) 80 170 330 325 costo unitario basso moderato accettabile alto numero di cicli 200 600 - 1000 300-500 1000 3000 Costs €/kWh 130 620 650 475 *Z.E.B.R.A. è un acronimo inglese che significa: Zero Emission Battery Research Activities.

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

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

Materiali: ANODI Il materiale deve: 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

Materiali: ANODI

Materiali: CATODI 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

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

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+ 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 anodo catodo Li+ Li+ Li+ - - - - -

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.

Batterie: LE SFIDE deL FUTURO Batteria Litio zolfo

Batterie: LE SFIDE deL FUTURO

Batterie: LE SFIDE deL FUTURO 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) energy Sistema Litio-aria Finanziamento MIUR PRIN2008 Lithium based cell 190 Wh/kg cell

“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

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)

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

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

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

CONSUMO GIORNALIERO DI PETROLIO IN U. S. A 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

CONSUMO GIORNALIERO DI PETROLIO IN U. S. A 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

CONSUMO GIORNALIERO DI PETROLIO IN U. S. A 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

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