IMMAGAZZINARE ENERGIA: GLI ACCUMULATORI ELETTROCHIMICI Prof. Nerino Penazzi

1. IMMAGAZZINARE ENERGIA: GLI ACCUMULATORI ELETTROCHIMICI Prof. NerinoPenazzi

2. Ielettr utilizzatore + - Iionica reazione catodica catodo reazione anodica anodo cationi anioni elettrolita Cosa è un accumulatore 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

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

4. Più accumulatori in serie: BATTERIA

5. Circuito aperto E = tensione reversibile (forza elettromotrice) Circuito chiuso V(I) = tensione sotto carico 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 V V è minore di E e dipende dalla intensità di corrente I Flusso degli elettroni

6. 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

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

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

9. Gli accumulatori oggi (quasi tutti)

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

11. ELETTRONICA CONSUMER IL VEICOLO ELETTRICO l’accumulatore al litio • 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

12. Cella a ioni di litio

13. Cella a ioni di litio e- e- Generator(Charge) Cathode Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Graphiteanode Rocking chair mechanism

14. One-Shot Process to obtain Polymer Electrolyte Membranes Monomers RTILs LiTFSI photo-initiator Max 3 min Flexible Self standing Easy tohandle 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

15. Accumulatore a ioni di litio LiFePO4 grafite elettrolita

16. Accumulatore a ioni di litio CARICA

17. Accumulatore a ioni di litio CARICA SCARICA FINE

18. Accumulatore a ioni di litio SCARICA

19. Accumulatore a ioni di litio SCARICA

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

21. Veicolo elettrico puro ( solo motore elettrico)

22. 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

23. EOLICO (20-30 % presenza in rete) Immagazzinamento di energia elettrica FOTOVOLTAICO SORGENTI RINNOVABILI MA ALEATORIE • 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

24. 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