I sistemi al litio: la frontiera della ricerca Nerino Penazzi Politecnico di Torino - Dip. Scienza dei Materiali e Ing. Chimica Corso Duca degli Abruzzi.

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1 I sistemi al litio: la frontiera della ricerca Nerino Penazzi Politecnico di Torino - Dip. Scienza dei Materiali e Ing. Chimica Corso Duca degli Abruzzi 24 10129 Torino ITALY

2 Alcune precisazioni lobiettivo è la riduzione al minimo dei consumi di combustibili fossili nel trasporto. siamo interessati a individuare le direzioni lungo cui si muove la ricerca nellambito degli accumulatori elettrochimici al litio per perseguire lobiettivo proposto.

3 Cella a ioni di litio per cellulare Cella a ioni di litio per veicolo elettrico

4 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 Testing delle celle via simulazione e modellazione Condizionamento della temperatura durante il funzionamento Gestione elettronica intelligente del sistema Riciclo delle batterie a fine vita Materiali (livello componenti) Assemblaggio e gestione (livello cella)

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

6 ladditivo ordinante raggruppa le particelle di LiFePO4 in modo da : limitare le dimensioni dei grani (20 – 30 nm) favorire la loro dispersione uniformare le dimensioni dei grani ferro-fosfoolivina LiFePO4 MATERIALE CATODICO Preparazione in pentola a pressione aggiunta di un additivo insieme ai composti di partenza con funzione ordinante

7 Ladditivo, decomponendosi, ricopre i grani con uno strato nanometrico di carbone che migliora la conducibilità elettronica ferro-fosfoolivina LiFePO4 MATERIALE CATODICO Preparazione in pentola a pressione aggiunta di un additivo insieme ai composti di partenza con funzione ordinante LiFePO 4 C carbon nano-painting M. Armand, M. Tarascon Nature febbraio 2008

8 Membrana gel-polimerica conduttiva ELETTROLITA Aggiunta di cellulosa

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

10 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) 73–8 0

11 Milioni di barili al giorno Steven G. Chalk a, James F. Miller b, Journal of Power Sources 159 (2006) 73–8 0 CONSUMO GIORNALIERO DI PETROLIO IN U. S. A. PER IL TRASPORTO (previsioni DOE)

12 Milioni di barili al giorno Steven G. Chalk a, James F. Miller b, Journal of Power Sources 159 (2006) 73–8 0 CONSUMO GIORNALIERO DI PETROLIO IN U. S. A. PER IL TRASPORTO (previsioni DOE) Steven G. Chalk a, James F. Miller b, Journal of Power Sources 159 (2006) 73–8 0

13 CONSUMO GIORNALIERO DI PETROLIO IN U. S. A. PER IL TRASPORTO (previsioni DOE) Steven G. Chalk a, James F. Miller b, Journal of Power Sources 159 (2006) 73–8 0 Milioni di barili al giorno VEICOLO ELETTRICO PURO

14 Cella litio-ossigeno LI-OX 4Li + O 2 2Li 2 O litioelettrolita Elettrodo po roso scarica

15 Contatto con alluminio In fondo al contenitore Lamina di litio Retina di acciaio, Ni ecc. che fa da spingielettrodo, portacorrente e permette il passaggio di ox elettrolita Catodo: carbonio mesop + cat + binder + ecc. spalmato su GDL

16 Caratteristiche è un accumulatore il potenziale di cella è superiore ai 2.5 V la reazione di riduzione dellossigeno non richiede costosi catalizzatori come la reazione nel caso delle celle a combustibile ha una energia specifica (8kWh/kg) vicina a quella del motore a combustione interna (12 kWh/kg) Cella litio-ossigeno LI-OX VEICOLO ELETTRICO PURO

17 Cella litio-ossigeno LI-OX Punti critici catodo: il composto di litio e ossigeno che si forma durante la scarica tende a riempire e bloccare i condotti attraverso i quali lossigeno dellaria entra nella cella. Questo composto non si riconverte completamente in litio metallico e ossigeno molecolare durante la ricarica. elettrolita: poiché nelluso normale la cella è a contatto con laria di cui usa lossigeno, lelettrolita deve anche fare da barriera tra lumidità e le impurezze contenute nellaria e lelettrodo di litio che verrebbe contaminato. anodo: la lamina di litio metallico è molto instabile essendo il metallo molto reattivo.

18 Se vi ho annoiato, per favore non fate questo

19 MINISTERO DELL'ISTRUZIONE DELL'UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA DIREZIONE GENERALE DELLA RICERCA PROGRAMMI DI RICERCA SCIENTIFICA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE RICHIESTA DI COFINANZIAMENTO (DM n. 1407 del 4 dicembre 2008) PROGETTO DI RICERCA - MODELLO A Anno 2008 - prot. 2008PF9TWZ 1 - Titolo del Progetto di Ricerca Testo italiano Sviluppo di accumulatori Li/aria per autotrazione Testo inglese Development of the Li/air cell for automotive applications VEICOLO ELETTRICO PURO Cella litio-ossigeno LI-OX

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21 Provettone apribile Uscita contatti Entrata ox Uscita ox

22 Ball milling: stainless steel vial and spheres, Ar atmosphere Grinding of powders of Ni and Sn, followed by addition of 10% grahite Grinding of powders of Ni and Sn with 10% graphite Ni 3 Sn 4 (I. Amadei, S. Panero, B. Scrosati, G. Cocco,L. Schiffini, JPS 143(2005)227)

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25 The use of an O2-based cathode can potentially lead to energy densities 5-10 times greater than those of the present batteries. theoretical energy density for Li-OX battery 8170 Wh/kg methanol/air fuel cell 5524 Wh/kg gasoline/air engine 11860 Wh/kg Cathode: metal lithium Anode: carbon or catalyst-loaded carbon air electrode Electrolyte: nonaqueous organic solution, in which the active cathode material is oxygen coming from the environment the overall reaction of a Li/air battery can be written as: 2Li + O 2 Li 2 O 2 3.10V Depending on discharge current and electrolyte composition, part of the resulting Li 2 O 2 can be further discharged to form L i2 O: 2Li + Li 2 O 2 2Li 2 O 2.72V Combining Eqs: 4Li + O 2 2Li 2 O 2.91V Therefore, Li 2 O 2 and Li 2 O coexist in the final discharge products of a Li/air battery. No matter what the final discharge products are, the reaction gives a theoretical specific capacity of 3862mAhg1 vs. metal Li

26 Characteristics of the Li-OX system: High energy density (vs. FC) o the O2 red in non aqueous ambient needs no catalyst or low cost catalyst, o the potential is around 2.5 V (vs. Me/air primary sources) there is not the problem of the reaction secondary products,

27 Crytical points cathode: great difference between discharge (around 3 V) and recharge ( 4.5 V approx.) potentials. The corresponding processes are different though it has been proved that during recharge the reduction products are consumed. In presence of some substance like electrochemical manganese dioxide (EMD) the recharging potential is lowered. cathode: the real capacity of a Li/air battery does not correspond to the theoretical capacity of metal Li due to the insolubility of discharge products (Li2O2 and Li2O) in non-aqueous organic electrolyte. The discharge products are deposited on the surfaces of carbon or catalyst in the air electrode, preventing oxygen from diffusing to the reaction sites. Therefore, the real capacity that a Li/air battery can achieve is determined by the carbon air electrode, especially by the pore volume available for the deposition of discharge products, instead by the Li anode. Crytical points cathode: great difference between discharge (around 3 V) and recharge ( 4.5 V approx.) potentials. The corresponding processes are different though it has been proved that during recharge the reduction products are consumed. In presence of some substance like electrochemical manganese dioxide (EMD) the recharging potential is lowered. cathode: the real capacity of a Li/air battery does not correspond to the theoretical capacity of metal Li due to the insolubility of discharge products (Li2O2 and Li2O) in non-aqueous organic electrolyte. The discharge products are deposited on the surfaces of carbon or catalyst in the air electrode, preventing oxygen from diffusing to the reaction sites. Therefore, the real capacity that a Li/air battery can achieve is determined by the carbon air electrode, especially by the pore volume available for the deposition of discharge products, instead by the Li anode.