Nanotecnologie la chiave di volta per le batterie del futuro e l’auto elettrica

Claudio CapigliaVisiting Professor

AFFIDABILITÀ E TECNOLOGIESoluzioni innovative e Tecnologie per l’industria e la ricercaTorino - Lingotto Fiere, 14 aprile 2010ANFIA Associazione Nazionale Filiera Industria Automobilistica

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

UtilizzatoriIndustria:Electronica, Automobilistica,Industria pesante,(Denchi, Jidousha)

FornitoriAziende Materiali, Chimica,Aziende che producono impianti(Zairyou)

BATTERIE

Universita’ e Istituti di Ricerca PubbliciRicerca di base

Costruttori di batterie(Monotsukuri)

Industria delle batterie

2 – STORIA BATTERIE

Alessandro VOLTA

1799

Pila di Volta

1.un elemento della pila2.strato di rame3.contatto negativo4.contatto positivo5.feltro o cartone imbevuto in soluzione acquosa6.strato di zinco

Batterie al Piombo

Gaston Planté fisico Francese inventa la batteria al piombo nel1859 che diventa la prima batteria ricaricabile ad uso commerciale

PbO2 + Pb + 2H2SO4 -> 2PbSO4 + 2H2O

1899 BATTERIE AL PIOMBO 1920

Nature 451 652 (2008)

Passato

Presente

Mancanza di Materiale Elettrodico

Mancanza di Elettroliti

La difficolta’ a gestire l’interfaccia elettrodo / elettrolita

Come mai lo sviluppo delle batterie, (concetto relativamente semplice) e’ cosi lento rispetto a quello dell’elettronica?

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).

Batterie al Nichel-Metallo Idruro (NiMH)

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

Cellularimilio

ni di c

elle

Computer

Video Cam.

Batterie al litio

Trapani......Auto IbrideAltro

Journal of Power Sources 195 (2010) 2419

Mercato delle Batterie per auto ibrida

Journal of Power Sources 195 (2010) 2419

scenario ottimista

scenario possibile

num

ero

auto

ibri

de v

endu

te n

el m

ondo

(m

ilio

ni)

4 – L’ EVOLUZIONE della TECNOLOGIA

Nature 451 652 (2008)

Batterie al Litio basate sui nanomateriali

RameCollettore di corrente

AlluminioCollettore di corrente

Elettroliti organiciLitio conduttori Li1-xCoO2

Journal of Power Sources 195 (2010) 2419

CatodoAnodo

Anodo Elettrolita Catodo

interfaccia

elettrolita solido Evoluzione gas

Riduzione elettrolitaMeccanismo Decomposizione

Ossidazione elettrolitaMeccanismo Decomposizione

interfaccia

Journal of Power Sources 195 (2010) 2419

Buona conduttività ionica ed elettronica

Il litio viene intercalato reversibilmente all’interno della struttura

LiCoO2

Problema: 1) Il cobalto è costoso e tossico2) Solo metà Litio può essere estratta reversibilmente

Materiale catodico

Materiali catodici

Materiali catodici per batterie al litio ricaricabili

Capacità specifica

Cap

acit

à D

ensi

tà

International Workshop on Technology Learning and Deployment June 11-12, 2007 IEA Headquarters, Paris

LiFePO4

Alta resistenza elettrica, problema risolto con la riduzione delle particellea scala nanometriche e ricoperte con materiali conduttori come il carbonio

Materiale catodico

Materiali anodici

Materiali anodici per batterie al litio ricaricabili

Capacità specifica

Cap

acit

à D

ensi

tà

International Workshop on Technology Learning and Deployment June 11-12, 2007 IEA Headquarters, Paris

100nm

TEM: Morfologia elettrodo composito; Sn Nanometrico in Carbone

Dimensioni di una particella di Sn

Numero di cicli

Materiali anodici nano-compositi

Journal of Power Sources 195 (2010) 2419

Cap

acit

à sp

ecif

ica

mA

h/gr

-1

Gel Polymer + Electrolyte

１９９１ １９９７

電解液 : EC, DEC, DMC + LiPF6 、

2003

RTIL or RTIL + Polymer

Elettroliti

prima generazione

seconda generazione

terza generazione (liquidi ionici)

5 – NANOTECNOLOGIAla chiave di volta

Batterie al solfuro di Litio (Li2S)

carbonio meso-poroso riempito con zolfo per evitare che lo zolfosi dissolva durante il processo e aumentarne la conduttività

Batterie al solfuro di Litio (Li2S)

Capacità teorica: 1550 Wh/Kg

Gel polimero

AnodoSilicio nano-filamenti

CatodoCarbonio mesoporoso/Li2SNano-composito

NANO Letter, Febbraio 2010

Li2O

Batterie Litio - Aria

Litio

Elettrodo positivo Elettrolitaorganico

Ossigeno

Ossigeno

Flusso di elettroni

Ioni litio

Carbone

Ossido di manganese(catalizzatore)

Li2O

batterie al litio

batterie litio aria convenzionali

nuovi sviluppi delle batterie litio aria

Elettrolita stato solido: bassa conducibilità ionica

Litio Metallico

(forma: LiOH)

Scarica

Anodo

Elettrolita organico

aria

Catalizzatore

Elettrolita stato solido

Elettrolita ad aria (carbone)

Elettrolita acquoso

Batterie Litio – Aria nuova generazione

6 – CONCLUSIONE

Grazie per l’attenzione