Articoli con tag batterie

Elettrodi in grafene nanostrutturato per migliorare i sistemi di accumulo energetico

L’utilizzo di elettrodi di grafene potrebbe portare alla realizzazione di nuovi dispositivi per lo stoccaggio energetico idonei per veicoli elettrici, fonti rinnovabili e applicazioni smart grid.

Elettrodi in grafene nanostrutturato

In un recente articolo pubblicato sulla prestigiosa rivista Nano Letters, i ricercatori di due aziende statunitensi Nanotek Instruments e Angstron Materials hanno proposto una nuova soluzione tecnologica in grado di combinare i vantaggi delle batterie elettrochimiche con quelli dei condensatori a doppio strato (supercapacitori), in modo da ottenere sistemi di accumulo energetico con alta potenza abbinata ad alta densità di energia.

Tutti gli scenari di possibile sviluppo della mobilità sostenibile e dell’approvvigionamento energetico, sono strettamente in relazione con la costruzione di idonei dispositivi di immagazzinamento dell’energia. Attualmente, i dispositivi più promettenti sono i supercondensatori e le batterie al litio.

Entrambe le soluzioni presentano alcuni svantaggi: mentre le batterie al litio offrono elevata densità di energia con bassa densità di potenza, i supercondensatori, al contrario, possono fornire alta densità di potenza, ma con bassa densità di energia. I supercondensatori, a differenza dei condensatori convenzionali, non si basano sull’impiego di un materiale dielettrico. L’elettrolita del condensatore, per l’effetto elettrico “doppio strato”, porta ad un’effettiva separazione di carica, anche se la separazione fisica degli strati è impercettibile. In generale, i supercondensatori offrono vantaggi quali ad alta densità di potenza, lunga durata di vita, semplici circuiti di ricarica, elevato grado di sicurezza e bassi costi. Tuttavia, essi presentano anche alcuni svantaggi, quali una bassa quantità di energia immagazzinata per unità di peso, un’alta autoscarica e una bassa tensione massima raggiungibile. Le batterie agli ioni di litio, d’altra parte, possono essere generalmente descritte dai loro tre componenti principali funzionali, e cioè l’anodo, il catodo e l’elettrolita. L’elettrolita, non acquoso, è comunemente costituito da una miscela di carbonati organici e contiene ioni di litio. Il catodo è basato su un ossido di metallo e il materiale più comune per l’anodo è la grafite. Queste batterie presentano la diffusione di ioni di litio tra l’anodo e il catodo, con la possibilità di questi ioni a migrare da o verso l’anodo e il catodo. Tuttavia, la bassa diffusione solido-superficie limita la massima densità di potenza. Ad oggi è presente una forte attività di ricerca per il miglioramento di ciascuno di questi singoli dispositivi, ma si stanno indagando anche nuovi approcci al problema.

Recentemente le attività di ricerca si sono concentrate su come applicare le nanotecnologie al fine di aumentare la densità di potenza caratteristiche delle batterie litio-ioni. Nella ricerca presentata da Nanotek Instruments e Angstron Materials, i ricercatori hanno scelto un approccio nuovo, utilizzando grafene nanostrutturato come materiale degli elettrodi. Nei dispositivi prototipali realizzati nel corso della ricerca, il grafene poroso nanostrutturato è collegato sia all’anodo che al catodo, in due blocchi distinti separati da una membrana porosa, ed è immerso nell’elettrolita. Il flusso di corrente è basato sullo scambio di litio tra la superficie dei due elettrodi in grafene nanostrutturato. Le due superficie in grafene possono catturare gli ioni di litio rapidamente e reversibilmente, attraverso meccanismi di adsorbimento di superficie e /o reazioni redox sempre di superficie. Gli autori della ricerca hanno effettuato gli esperimenti utilizzando diverse strutture in grafene. Lo studio è ancora in una fase preliminare, ma risultati sono stati così promettenti da rendere possibile l’ipotesi di una prossima realizzazione di sistemi in grado di raggiungere densità energetiche di 160 Wh/kg per unità di cella. Questo valore è oltre 30 volte superiore a quello raggiungibile con i supercapacitori convenzionali, ed è comparabile con quello delle batterie agli ioni di litio. In più, questi sistemi possono raggiungere densità di potenza di 100 kW/kg per unità di cella, 10 volte superiori a quelle dei tradizionali supercondensatori e addirittura 100 volte maggiori delle batterie agli ioni di litio.

Articolo pubblicato anche da Fondazione per lo Sviluppo Sostenibile
Articolo originale in lingua inglese: Graphene Electrodes Lead to Improved Energy Storing Devices

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Tempi di risposta e capacità di stoccaggio dei sistemi di accumulo energetico per le fonti rinnovabili

I dispositivi di accumulo energetico trovano da sempre impiego a supporto dei sistemi di generazione di potenza elettrica, ma in maniera relativamente marginale, tanto che si può affermare che attualmente solo il 2.5% circa dell’energia elettrica mondiale è stoccata prima del suo effettivo utilizzo. In un futuro prossimo, tuttavia, con il progressivo diffondersi di sistemi di generazione distribuita, il ruolo dei sistemi di stoccaggio energetico potrebbe diventare di fondamentale importanza per la costituzione di una Smart Grid stabile ed efficiente. La produzione di grandi quantitativi di energia intermittente e indipendente dalle effettive richieste di carico della rete (come quella proveniente ad esempio da Fonti Energetiche Rinnovabili – FER), renderà infatti necessario un massiccio impiego di sistemi di accumulo energetico in grado di sopportare un elevato numero di cicli di carica-scarica a diversi gradi di profondità.  Ciascun sistema di accumulo energetico dovrà inoltre avere tempi di risposta e capacità di stoccaggio idonei a soddisfare le richieste provenienti sia dal sistema di generazione elettrica che dalla rete ad esso collegato. A tale riguardo si possono distinguere tre classi di tecnologie:

  • Tecnologie Power Quality: servono a sopperire alle variazioni/interruzioni di elettricità entro frazioni di secondo
  • Tecnologie Bridging Power: sono in grado di accumulare l’energia elettrica da utilizzare nell’arco di secondi o minuti per assicurare la continuità della potenza elettrica mentre si passa da un generatore all’altro
  • Tecnologie Energy Management: consentono di gestire la fornitura elettrica in funzione della domanda di mercato e di erogarla per intervalli di tempo prolungati (dell’ordine delle ore); servono inoltre a livellare il carico (load levelling), smorzare i picchi di domanda (peak shaving) e assicurare la continuità del servizio.

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Batterie agli ioni di litio più prestazionali grazie a film di nanotubi di carbonio

Immagine TEM del film di nanotubi di carbonio

Immagine TEM del film di nanotubi di carbonio

Nelle comuni batterie agli ioni di Litio l’anodo è fatto sostanzialmente di carbonio, mentre il catodo è costituito da un ossido  metallico. Dal punto di vista teorico, è stato dimostrato che una batteria agli ioni di Litio con un elettrodo positivo (catodo) costituito da nanotubi di carbonio, grazie all’elevata superficie di scambio di questo tipo di materiale, potrebbe erogare una potenza dieci volte maggiore rispetto una batteria convenzionale, e accumulare cinque volte più energia di un comune ultracapacitore. Dal punto di vista tecnologico esiste tuttavia un grosso ostacolo che limita la fattibilità di questa soluzione: per costituire i nanotubi di carbonio è necessario infatti utilizzare un agente legante che provoca un drastico abbassamento della conduttività degli elettrodi. Recentemente i ricercatori del MIT (Massachusetts Institute of Technology) hanno individuato un metodo che permette di ottenere uno strato denso ma poroso di film di nanotubi, senza la necessità di ulteriori fillers o riempitivi. Il processo sviluppato dal MIT utilizza due soluzioni acquose di nanotubi, una a carica positiva e la seconda a carica negativa, all’interno delle quali viene immerso alternativamente un comune substrato vetroso. Gli strati di nanotubi si legano insieme sulla superficie a causa delle cariche complementari, formando un film compatto ma poroso che, una volta riscaldato, può essere rimosso dal substrato ed utilizzato appunto come elettrodo per le batterie agli ioni di Litio. I ricercatori del MIT sono attualmente al lavoro su due fronti: velocizzare il processo così da renderlo competitivo con i comuni metodi di produzione, e sviluppare la tecnologia in modo da rendere possibile la deposizione degli elettrodi di nanotubi di carbonio direttamente sui circuiti integrati.

Fonte: Technology Review

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Cars of the Future Could Be Powered by Their Bodywork, Thanks to New Battery Technology

Fonte: ScienceDaily
Composite material releasing electrical energy to power a small light. (Credit: Image courtesy of Imperial College London)

Composite material releasing electrical energy to power a small light. (Credit: Image courtesy of Imperial College London)

Researchers from Imperial College London and their European partners, including Volvo Car Corporation, are developing a prototype material which can store and discharge electrical energy and which is also strong and lightweight enough to be used for car parts.

Ultimately, they expect that this material could be used in hybrid petrol/electric vehicles to make them lighter, more compact and more energy efficient, enabling drivers to travel for longer distances before needing to recharge their cars. In addition, the researchers believe the material, which has been patented by Imperial, could potentially be used for the casings of many everyday objects such as mobile phones and computers, so that they would not need a separate battery. This would make such devices smaller, more lightweight and more portable.

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Cheaper, Stronger Lithium-Ion Batteries for Electric Vehicles

Fonte: www.technologyreview.com

A British company is testing new chemistry that could boost the performance of batteries.

By Duncan Graham-Rowe

A British defense technology company, Qinetiq, is testing a new type of lithium-ion battery for hybrids and electric vehicles that could be substantially cheaper and more powerful than existing batteries.

Packing power: The new battery pack, designed for a prototype hybrid diesel vehicle, is made with a novel lithium-ion chemistry that could boost the battery’s performance while bringing down the cost. Credit: Qinetiq

Packing power: The new battery pack, designed for a prototype hybrid diesel vehicle, is made with a novel lithium-ion chemistry that could boost the battery’s performance while bringing down the cost. Credit: Qinetiq

The battery is based on lithium-ion iron-sulfide chemistry, which has a number of advantages over the chemistry of existing batteries, says Gary Mepsted, technical manager for Qinetiq’s power sources group. The new battery would cost half as much as existing vehicle batteries and could last longer and recharge more quickly that other lithium batteries. Mepsted says that compared to standard lithium-ion batteries, the new battery has demonstrated about 1.6 times the energy density (which would extend a plug-in electric’s range) and a 50 percent higher power density (which would let hybrids charge and discharge more rapidly).

Researchers have long viewed lithium-ion batteries as an attractive alternative to the expensive metal-based batteries now used in hybrids. But although standard lithium-ion batteries are relatively cheap and can store about twice as much energy as standard nickel metal hydride cells, developers have had to overcome a number of technological challenges to make them practical for vehicles.

Plug-in electric vehicles need batteries with higher energy densities to extend their range between charges, says Mepsted. And for hybrids, the power density of standard lithium-ion batteries is less than ideal for coping with the rapid charging and discharging that comes with the regenerative braking systems used in hybrids. Continua a leggere…

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Sodium-Ion Cells for Cheap Energy Storage

Fonte: www.technologyreview.com

DOE funds the development of low-cost sodium-ion batteries.

By Kevin Bullis (Technology Review)

A new type of sodium-ion battery could prove cheaper than lithium-ion batteries for storing power from wind and solar farms, says Jay Whitacre, a professor of materials science and engineering at Carnegie Mellon University. Whitacre’s startup, 44 Tech, based in Menlo Park, CA, will receive $5 million from the U.S. Department of Energy, as part of the 2009 Recovery Act, to develop the technology. The funding, announced last week, is part of a $620 million package for improving the electricity grid.

The startup’s batteries could be not only cheaper but also longer-lasting than lithium-ion ones, Whitacre says. This would make them particularly useful for storing large amounts of electricity cheaply–something that will be essential for making renewable energy the primary source of energy in the U.S., rather than just the supplemental source it is now. Such storage will make it practical to store energy from wind turbines and solar farms for use when the wind isn’t blowing and the sun isn’t shining.

Whitacre’s sodium-ion cells are similar in some ways to lithium-ion cells–the type used in portable electronics and in some electric vehicles. In both types of cell, ions are shuttled between the battery’s positive and negative electrodes during charging and discharging, with an electrolyte serving as the medium for moving those ions. But because sodium is orders of magnitude more abundant than lithium, it is cheaper to use. To make the cells cheaper still, Whitacre plans to operate them at lower voltages, so that water-based electrolytes can be used instead of organic electrolytes. This should further decrease manufacturing costs, since water-based electrolytes are easier to work with.  continua a leggere…

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High-Energy Batteries Coming to Market

Fonte: Technology Review

Rechargeable zinc-air batteries can store three times the energy of a lithium-ion battery.

By Kevin Bullis (Technology Review)

A Swiss company says it has developed rechargeable zinc-air batteries that can store three times the energy of lithium ion batteries, by volume, while costing only half as much. ReVolt, of Staefa, Switzerland, plans to sell small “button cell” batteries for hearing aids starting next year and to incorporate its technology into ever larger batteries, introducing cell-phone and electric bicycle batteries in the next few years. It is also starting to develop large-format batteries for electric vehicles.

ReVolt Battery

Battery unpacked: This graphic illustrates the multilayered structure of a ReVolt rechargeable zinc-air battery. From top to bottom: the battery cover, which lets in air; a porous air electrode; the interface between electrodes; the zinc electrode; the casing. Credit: ReVolt

The battery design is based on technology developed at SINTEF, a research institute in Trondheim, Norway. ReVolt was founded to bring it to market and so far has raised 24 million euros in investment. James McDougal, the company’s CEO, says that the technology overcomes the main problem with zinc-air rechargeable batteries–that they typically stop working after relatively few charges. If the technology can be scaled up, zinc-air batteries could make electric vehicles more practical by lowering their costs and increasing their range.

Unlike conventional batteries, which contain all the reactants needed to generate electricity, zinc-air batteries rely on oxygen from the atmosphere to generate current. In the late 1980s they were considered one of the most promising battery technologies because of their high theoretical energy-storage capacity, says Gary Henriksen, manager of the electrochemical energy storage department at Argonne National Laboratory in Illinois. The battery chemistry is also relatively safe because it doesn’t require volatile materials, so zinc-air batteries are not prone to catching fire like lithium-ion batteries. continua a leggere…

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Energie rinnovabili, all’Università di Milano-Bicocca arrivano i maggiori esperti mondiali

Fonte: BUR – Bollettino Università & Ricerca

Si chiama Chemistry and Physics of Materials for Energetics ed è la prima scuola interamente dedicata ai materiali per le applicazioni energetiche. Una full immersion di una settimana, dal 14 al 19 settembre presso l’Università di Milano-Bicocca, organizzata dal Network Europeo PCAM (Physics and Chemistry of Advanced Materials) e dedicata alle più importanti innovazioni e ricerche nel campo delle energie rinnovabili: dal fotovoltaico, ai materiali per il risparmio e il recupero energetico, alle problematiche connesse allo stoccaggio di energia. continua a leggere…

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Le batterie si avviano al riciclaggio

Fonte: www.elettronicanews.it

La modifica della direttiva sulle pile rappresenta un importante passo verso l´obiettivo di fare dell’Europa una società che ricicla. La nuova direttiva punta a evitare lo smaltimento delle batterie nell’ambiente e prevede limitazioni all’uso di alcuni metalli pesanti.

L’Unione Europea ha adottato la Direttiva sulle batterie già nel marzo del 1991, introducendo una serie di restrizioni sull’uso di mercurio nella maggior parte delle batterie e incoraggiandone la raccolta e il riciclaggio. Tuttavia, gli obiettivi di questa direttiva non sono stati raggiunti, dal momento che la maggior parte delle batterie portatili viene ancora smaltita in discarica. L’Unione Europea ha di conseguenza introdotto e adottato una nuova direttiva in merito, entrata in vigore a settembre del 2008, che sostituirà quella precedente. In base alla nuova normativa tutti i produttori di batterie hanno l’obbligo di registrazione in ogni Stato in cui commercializzano le batterie (con la possibile eccezione dei venditori a distanza per alcuni stati). continua a leggere…

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