Alberto Ansaldo. Le batterie: cosa ci riserva il futuro? Torino - 26 Novembre 2018

Transcript

1 Alberto Ansaldo Le batterie: cosa ci riserva il futuro? Torino - 26 Novembre

2 Outlook Batterie: una breve introduzione Quadro attuale Sfide e soluzioni Alcuni esempi Torino - 26 Novembre 2018 Le batterie: cosa ci riserva il futuro? 2

3 Catodo Batterie: una breve introduzione Determina la massima tesnione della batteria Elettrolita Trasporta gli ioni dall anodo al catodo e viceversa Adattato da F. Bonaccorso, et al., Science 347, (2015) Anodo Determina la tensione di esercizio della batteria Torino - 26 Novembre 2018 Le batterie: cosa ci riserva il futuro? 3

4 Batterie: principali figure di merito Energia Potenza: energia erogata in un secondo Energia specifica: energia per unità di peso Potenza specifica : Potenza per unità di peso Densità energetica: Energia per unità di volume Adapted from A.C.Ferrari et al., Nanoscale 7, 4587 (2015) Torino - 26 Novembre 2018 Le batterie: cosa ci riserva il futuro? 4

5 Dalla fisica all automotive Energia: Potenza: Energia specifica: Potenza specifica: Densità energetica: Densità di potenza: autonomia (km) accelerazione/ripresa peso della batteria per una data autonomia peso della batteria per una data accelerazione volume della batteria per una data autonomia volume della batteria per una data accelerazione Torino - 26 Novembre 2018 Le batterie: cosa ci riserva il futuro? 5

6 Dove siamo e dove andiamo Adapted from A.C.Ferrari et al., Nanoscale 7, 4587 (2015) Torino - 26 Novembre 2018 Le batterie: cosa ci riserva il futuro? 6

7 Principali tencologie Li-Ion Torino - 26 Novembre 2018 Le batterie: cosa ci riserva il futuro? 7

8 Previsioni di crescita Fonte: Bosch research center North America Torino - 26 Novembre 2018 Le batterie: cosa ci riserva il futuro? 8

9 Percorrenza vs Peso batterie Fonte: Bosch research center North America Torino - 26 Novembre 2018 Le batterie: cosa ci riserva il futuro? 9

10 Dove sta andando la ricerca? Fonte: Bosch research center North America Torino - 26 Novembre 2018 Le batterie: cosa ci riserva il futuro? 10

11 Dove sta andando la ricerca? Torino - 26 Novembre 2018 Le batterie: cosa ci riserva il futuro? 11

12 Batterie: ruolo delle componenti Catodo Determina la massima tesnione della batteria è ad oggi l elemento più critico nel limitare le prestazioni delle batterie ( ma h g -1 ) Elettrolita Limita la massima tensione di esercizio (quindi la scelta del catodo) Limita il sovrapotenziale di carica E la principale fonte di infiammabilità Adattato da F. Bonaccorso, et al., Science 347, (2015) Anodo Determina la tensione di esercizio della batteria Può limitare la corrente massima di carica Torino - 26 Novembre 2018 Le batterie: cosa ci riserva il futuro? 12

13 Driving forces Densità di energia Densità di carica Aumento della tensione di lavoro Sicurezza Thermal runout Riduzione della tossicità (Co, Ni) Disponibilià delle materie prime Possibili soluzioni Nuovi anodi (Si, S) Nuovi catodi e elettroliti Nuovi elettroliti (elettroliti solidi) Riduzione dell uso dei metalli pesanti Batterie a ione sodio Torino - 26 Novembre 2018 Le batterie: cosa ci riserva il futuro? 13

14 Alcuni esempi di anodi avanzati Grafite Capacità anodica teorica 372 ma h g -1 Grafene Capacità anodica teorica 744 ma h g -1 Fosforo nero Capacità anodica teorica del fosforo nero 2596 ma h g -1 Binder free J. Mater. Chem. A,4, (2014) Adattato da F. Bonaccorso, et al., Science 347, (2015) Phosphorene anode Mater. Horiz.,5, (2018) Silicio Capacità anodica teorica 3579 ma h g -1 Graphene/silicon hybrid J. Mater. Chem. A,5, (2017) Del Rio, Ansaldo et al. Mater. Horiz., 2018,5, Torino - 26 Novembre 2018 Le batterie: cosa ci riserva il futuro? 14

15 Capacity (mah g -1 ) Coulombic efficiency (%) Anodi Li-ion al Grapene (binder free) Li foil Graphene Capacità specifica ~420 mah g 0.1 A g -1 Efficienza columbica: 99.8 % Capacità irreversibile: <100 mah g st cycle Del Rio, Ansaldo et al. Mater. Horiz., 2018,5, Drop casting Cycle number Torino - 26 Novembre 2018 Le batterie: cosa ci riserva il futuro? Charge Discharge

16 Solution processing Batterie Li-Ion al Grafene Graphene Ink (NMP) Capacità reversibile (165 m A h g -1 ) Ciclo di vita (>80 cicli) Efficienza coloumbica (~100%) Densità di Energia ~190 W h kg -1 J. Hassoun, et. al Nano Lett. 14, 4901 (2014) Torino - 26 Novembre 2018 Le batterie: cosa ci riserva il futuro? 16

17 Capacity (A h g -1 ) Efficiency (%) Anodi al silicio Capacità del silicio: 3579 ma h g -1 Capacità del grafene: 744 ma h g -1 Capacità della grafite: 372 ma h g -1 Aumento di volume del 300% Si graphite Cycle number Le particelle si polverizzano nel tempo! Liu et al. ACS nano, 6 (2), (2012) L interfaccia solido/liquido (SEI) si danneggia, aumentando le perdite ohmiche del dispositivo un materiale inutile? Torino - 26 Novembre 2018 Le batterie: cosa ci riserva il futuro? 17

18 Capacity (A h g -1 ) Efficiency (%) Silicio: altissima capacità ma è semiconduttore e si danneggia a causa della espansione in volume durante i cicli di carica/scarica Fluoroetilene carbonato: rende più flessibile il SEI Grafene: è un ottimo conduttore, flessibile, e resistente E. Greco, A. Ansaldo et al. Mater. Chem. A,5, (2017) Ibrido Silicio Grafene 0.5 graphite Torino - 26 Novembre 2018 Le batterie: cosa ci riserva il futuro? Cycle number Si Si + FEC Si + G 100 Reversible capacity >1300 mah g -1 Cycle life Key Spec. Columbic efficiency >99% >300 cycles

19 Acknowlegments IIT Graphene Labs Alberto Ansaldo Sebastiano Bellani Lorenzo Carbone Antonio Esau Del Rio Castillo Vittorio Pellegrini Francesco Bonaccorso Former Members Gianluca Longoni Elisa Petroni Luca Galliani IIT Materials Charaterization Mirko Prato IIT NACH Joka Buha Fundings Graphene flagship WP12 Energy Storage Torino - 26 Novembre 2018 Le batterie: cosa ci riserva il futuro? 21

20 Torino - 26 Novembre 2018 Le batterie: cosa ci riserva il futuro? 22