IMMAGAZZINARE ENERGIA: GLI ACCUMULATORI ELETTROCHIMICI Prof. Nerino Penazzi
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IMMAGAZZINARE ENERGIA:IMMAGAZZINARE ENERGIA:GLI ACCUMULATORI ELETTROCHIMICIGLI ACCUMULATORI ELETTROCHIMICI
Prof. Nerino PenazziProf. Nerino Penazzi
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Cosa è un accumulatoreCosa è un accumulatore
Cominciamo dalla pilaConsideriamo un circuito elettrico costituito da :Elettrodo anodoElettrodo catodo ElettrolitaUtilizzatore
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
Ielettr
Iionica
cationianioni
reazione anodica reaz
ione
cat
odic
a
elettrolita
utilizzatore
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Reazione elettrochimica: R => PReazione elettrochimica: R => P spontanea
R P
IeSe la reazione non è ricostituibile →Pila propriamente detta o generatore primario
++--
R P
Ie
Se la reazione è ricostituibile→accumulatore
scarica
R P
Ie
carica
-- --++ ++
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Più accumulatori in serie: BATTERIA
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E
Circuito apertoE = tensione reversibile(forza elettromotrice)
Circuito chiusoV(I) = tensione sotto carico
Passaggio di corrente elettrica
Flusso degli elettroni
V
V è minore di E e dipende dalla intensità di corrente I
Comportamento dell’accumulatoreComportamento dell’accumulatore
Tensione:Tensione: energia che un elettrone trasferisce sotto forma di lavoro elettrico all’utilizzatore quando viene spostato un elettroneCorrente:Corrente: numero di elettroni che, nell’unità di tempo entrano ed escono dall’utilizzatore
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Capacità: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’utilizzatoreEnergia specifica: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’utilizzatoreDipende dalla quantità di carica (n. di elettroni) e da V
Potenza specifica: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
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Carica: Carica: il processo con il quale “riempio” la cella di cariche (elettroni)
Scarica: Scarica: il processo con il quale uso le cariche accumulate per far funzionare l’utilizzatore
XX
scarica
carica
XX
XXXX
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Cap
acit
à sp
ecif
ica
(mA
h/g
)
Numero di cicli
Durata ai Durata ai ciclicicli
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tensione (V)
en. spec. (Wh/kg)
densità di en. (Wh/L)
costo/kWh
numero di cicli
al piombo VRLA
2.0
35
80
50
200
Ni/Cd
1.2
50
170
200
600 - 1000
Ni/MH
1.2
90
330
200
300-500
A ioni di litio
3.7
165
330
500
500
Gli accumulatori oggi Gli accumulatori oggi (quasi tutti)(quasi tutti)
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SANYOpila al litio
Pila Pila Li-ioduroLi-ioduro
AccumulatoreAccumulatore a ioni di litioa ioni di litio
SONY:SONY:Cella a ioni Cella a ioni di litio a spiraledi litio a spirale
SONY: Cella SONY: Cella a ioni di litio a ioni di litio Con elettrolitaCon elettrolitapolimericopolimerico
Una storia speciale: l’accumulatore al Una storia speciale: l’accumulatore al litiolitio
Litio: metallo leggero (0.5 g/cmLitio: metallo leggero (0.5 g/cm33), molto reattivo, E = 3.05 V)), molto reattivo, E = 3.05 V)
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l’accumulatore al l’accumulatore al litiolitio
ELETTRONICA CONSUMERELETTRONICA CONSUMER
IL VEICOLO ELETTRICOIL VEICOLO ELETTRICO
Requisiti per un accumulatore da trazione elettrica:Requisiti per un accumulatore da trazione elettrica: materiali a basso costo materiali a basso costo
disponibili in grandi quantitàdisponibili in grandi quantità non inquinantinon inquinanti
processi industriali a bassa tecnologiaprocessi industriali a bassa tecnologia alto livello di sicurezzaalto livello di sicurezza
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13/77
LiLi++
LiLi++LiLi++
LiLi++ LiLi++
LiLi++
LiLi++LiLi++
LiLi++ LiLi++
GeneratorGenerator(Charge)(Charge)
ee-- ee--
Graphite Graphite anodeanode
CathodeCathode
Rocking chair mechanismRocking chair mechanism
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14
MAX
3 mins
Substrate or mold
1 2
Monomers+
photo-initiator
3
Ar side
Substrate side
4MAX
3 mins
Substrate or mold
1 2
Monomers+
photo-initiator
3
Ar side
Substrate side
4
ILED 2012 POLITECNICO DI TORINO
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Accumulatore a ioni di litioAccumulatore a ioni di litio
grafitegrafite
LiFePOLiFePO44
elettrolitaelettrolita
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Accumulatore a ioni di litioAccumulatore a ioni di litio
CARICACARICA
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FINEFINE
Accumulatore a ioni di litioAccumulatore a ioni di litio
CARICACARICA
SCARICASCARICA
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Accumulatore a ioni di litioAccumulatore a ioni di litio
SCARICASCARICA
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SCARICASCARICA
Accumulatore a ioni di litioAccumulatore a ioni di litio
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A cosa servono gli accumulatori al litioA cosa servono gli accumulatori al litio
•Veicoli a trazione elettrica
•Immagazzinamento di energia elettrica da fonti di energia aleatorie
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Veicolo elettrico puroVeicolo elettrico puro( solo motore elettrico)( solo motore elettrico)
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•Non risolve completamente il problema Non risolve completamente il problema dell’inquinamento.dell’inquinamento.
•Risponde ai seguenti scopi:Risponde ai seguenti scopi:• Ridurre consumo di Ridurre consumo di carburantecarburante e l’emissione di e l’emissione di COCO22 mantenendo prestazioni e comfort di un’auto mantenendo prestazioni e comfort di un’auto convenzionaleconvenzionale• Migliorare le prestazioni con una certa riduzione Migliorare le prestazioni con una certa riduzione del consumo di del consumo di carburantecarburante• Rendere massime le prestazioni dell’autoveicolo Rendere massime le prestazioni dell’autoveicolo con lo stesso consumo di con lo stesso consumo di carburantecarburante
Veicolo elettrico ibridoVeicolo elettrico ibrido(motore elettrico-motore a (motore elettrico-motore a
combustione interna)combustione interna)
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Immagazzinamento di energia elettricaImmagazzinamento di energia elettrica
SORGENTI RINNOVABILI MA SORGENTI RINNOVABILI MA ALEATORIEALEATORIE
gli accumulatorigli accumulatori accumulo di energia prodotta quando non viene usata o accumulo di energia prodotta quando non viene usata o usata parzialmenteusata parzialmente fornitura di energia nei momenti in cui è necessaria e fornitura di energia nei momenti in cui è necessaria e non viene prodottanon viene prodotta
(20-30 % presenza in rete)(20-30 % presenza in rete)
FOTOVOLTAICOEOLICOEOLICO
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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 elettricoveicolo elettrico unico realmente non inquinante (alto costo) stabilizzazione reti elettriche in presenza di fotovoltaico e solare, passo obbligato per lo sviluppo delle sorgenti rinnovabili
In conclusioneIn conclusione
quando soffia il vento del cambiamento, quando soffia il vento del cambiamento, c’è chi costruisce mura e chi costruisce c’è chi costruisce mura e chi costruisce mulini a ventomulini a vento