PRESENTAZIONE

L’insegnamento introduce lo studente ai dispositivi elettrochimici per la conversione e l’accumulo di energia: celle a combustibile, elettrolizzatori, batterie, supercapacitori e celle fotoelettrochimiche. Lo studente comprenderà il ruolo cruciale di questi dispositivi nell’ambito del panorama energetico che si sta definendo, basato prevalentemente sull’utilizzo di fonti rinnovabili. Verranno discussi i principi elettrochimici, di catalisi eterogenea e di scienza dei materiali necessari a comprenderne il funzionamento, progettarne lo sviluppo ed ottimizzarne criticamente le prestazioni.  

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

"The purpose of the course is to provide the concepts of electrochemistry and the aspects of materials science constituting the basis of the most promising electrochemical systems for energy. At the end of the course the student will have acquired the theoretical knowledge on the structure and operating principle of each device, whether it be for conversion (spontaneous current flows - galvanic cells, photoelectrochemical cells - and forced - electrolysers) or for storage (secondary batteries, supercapacitors).

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

Lo scopo dell’insegnamento è quello di fornire i concetti di elettrochimica e gli aspetti di scienza dei materiali che sono alla base dei più promettenti sistemi elettrochimici per l’energia. Al termine del corso lo studente avrà acquisito le conoscenze teoriche sulla struttura ed il principio di funzionamento di ogni dispositivo, sia esso di conversione (flussi di corrente spontanei – celle galvaniche, celle fotoelettrochimiche - e forzati – elettrolizzatori) o di accumulo (batterie secondarie, supercapacitori).

Nello specifico lo studente al termine dell’insegnamento sarà in grado di:

• conoscere le diverse classi di conduttori e di portatori di carica che possono incontrarsi in una cella elettrochimica; approfondire i meccanismi elettrochimici che presiedono alla conduzione delle specie (in ciascuno dei componenti della catena) sottoposte ad una differenza di potenziale;
• apprezzare la rilevanza chimica e strutturale dei materiali dello stato dell’arte, per avere una visione sullo sviluppo di materiali nuovi;
• conoscere i meccanismi termodinamici, cinetici e di trasporto che indirizzano i processi di elettrocatalisi ed essere in grado di analizzarli criticamente per ottimizzare strutture e prestazioni;
• apprendere dal punto di vista teorico e pratico le tecniche elettrochimiche più importanti per la caratterizzazione di tali sistemi (spettroscopia d’impedenza, voltammetria);
• applicare tali conoscenze per risolvere due take home assignements limitati al programma svolto, i quali dovranno essere risolti individualmente, per dimostrare di avere acquisito conoscenza operativa e capacità di problem solving.

Tali obiettivi formativi sono particolarmente indicati per il profilo "Scienziato dei Materiali: Specialista nelle Tecnologie".

PREREQUISITI

Basi di termodinamica e cinetica elettrochimica.

I numeri complessi.

MODALITA' DIDATTICHE

L’insegnamento è articolato in lezioni frontali svolte dal docente, durante le quali verrà esposta la teoria, applicata a diversi esempi e attraverso la risoluzione di esercizi.

Durante l’evolversi dell’insegnamento allo studente vengono sottoposti almeno due take home assignements, limitati al programma svolto, i quali devono essere risolti lungo un periodo di più giorni, avvalendosi del materiale del corso e dei testi suggeriti dal docente, ma lavorando singolarmente. In questo suo lavoro personale lo studente deve pertanto elaborare le conoscenze apprese durante le lezioni fontali ed essere in grado di risolvere esercizi articolati (eventualmente discutendo con il docente nel caso di eventuali difficoltà), al fine di valutare la sua capacità di problem solver.

L’insegnamento prevede la frequenza obbligatoria a dodici ore di laboratorio, correlate agli argomenti trattati. Agli studenti, che lavoreranno in gruppi di più componenti, è richiesto di eseguire test elettrochimici su campioni reali, utili per la determinazione delle prestazioni di singoli componenti o di celle complete. Nelle attività pratiche di laboratorio devono essere seguite scrupolosamente le norme di sicurezza illustrate per operare in un laboratorio di elettrochimica.

Per aiutare lo/la studente nell'apprendimento, il docente mette a disposizione la presentazione utilizzata come supporto alla lezione.

PROGRAMMA/CONTENUTO

Il programma dell’insegnamento prevede la presentazione e discussione dei seguenti argomenti:

• Introduzione. Stato energetico globale: richieste, sfide e prospettive future. Emissioni di gas serra e cambiamenti climatici associati. Il ruolo cruciale dei sistemi elettrochimici nello scenario energetico basato sull’uso delle fonti rinnovabili. 
• Differenti classi di conduttori e di portatori di carica. Caratteristiche di una catena elettrochimica; andamento del potenziale all’equilibrio e fuori dall’equilibrio.
• Celle a combustibile. Tipologie (particolare approfondimento su SOFCs e PEMFCs), struttura e possibili configurazioni; meccanismi alla base dei processi di trasformazione in una cella a combustibile; materiali dello stato dell’arte ed emergenti; conducibilità anionica e protonica; criteri per la scelta dell’elettrolita; bilanci energetici; efficienza. Sfide tecniche e prospettive.
• Batterie. Tipologie delle principali batterie attuali (Leclanché, batterie al piombo, zinco-aria, sistema ZEBRA, nichel-cadmio, nichel-idruri metallici, batterie al litio, etc.) ed avanzate (litio-aria e litio-zolfo); meccanismo di conversione dell’energia nelle batterie; focus sui materiali; parametri operativi  critici; principali tipi di reazioni agli elettrodi; effetti della corrente di scarica; auto-scarica; titolazione coulometrica; relazione fra tensione e reazioni agli elettrodi; diagrammi di fase binari e ternari per comprendere l’andamento della tensione di cella vs lo stato di carica. Elettroliti liquidi e solidi; elettroliti polimerici; metodi sperimentali per valutare le proprietà critiche di elettrodi ed elettroliti. Sfide tecniche.
• Supercapacitori. Classificazione; Ragone plot. Il doppio strato elettrochimico; materiali elettrodici: a base carbonio e pseudocapacitivi; supercapacitori asimmetrici. Elettroliti: acquosi, liquidi ionici e solidi. Simulazione del comportamento elettrochimico; densità di energia e di potenza; applicazioni attuali e future. 
• Celle fotoelettrochimiche. L’effetto fotovoltaico. Materiali funzionali per celle solari: sistemi fotovoltaici a giunzione p-n e multigiunzione. Sistemi a base di silicio cristallino e amorfo; celle a film sottile (CuInSe2, CdTe). Circuito elettrico equivalente, tensione a circuito aperto e corrente di corto circuito; curve tensione-corrente e tensione-potenza. Dye-sensitised solar cells: vantaggi, problemi di produzione, sensibilizzazione. Elettroliti liquidi, in forma di gel e solidi.
• Spettroscopia d’Impedenza Elettrochimica (EIS). Numeri complessi e trasformata di Fourier; definizione di impedenza; differenti modi di rappresentazione dei dati. Impedenza in presenza di trasporto di massa; dispersione di impedenza alle interfacce solide; dispersione delle costanti di tempo; impedenza di elettrodi porosi. Condizioni per l’ottenimento di dati attendibili. Introduzione all’interpretazione dei dati sperimentali.
• Voltammetria ciclica. Utilizzo nella caratterizzazione di celle elettrochimiche.

TESTI/BIBLIOGRAFIA

Tutte le diapositive utilizzate durante le lezioni. Il materiale didattico suggerito o consegnato durante il corso.

I libri indicati sono suggeriti come testi di appoggio, ma gli studenti possono utilizzare anche altri testi di livello universitario.

• J. Newman and K. E. Thomas-Alyea, "Electrochemicl Systems", Wiley Interscience, John Wiley & Sons.
• "Solid State Electrochemistry I - Fundamentals, Materials and their Applications", Edited By Vladislav V. Kharton, Wiley-VHC.
• "Handbook of Battery Materials", Ed. by C. Daniel and J. O. Besenhard, Wiley-VHC.
• "Fuel cells and hydrogen production", T. Lipman and A. Z. Weber Eds., Springer, 2019.

DOCENTI E COMMISSIONI

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

Controllare spesso il link seguente:

https://corsi.unige.it/9017/p/studenti-orario#chapter-1

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

L'esame si compone di una prova scritta finale, che peserà sul voto complessivo per il 60 %.

I take home assignments peseranno complessivamente sul voto finale per il 40 %.

Nel caso lo studente desideri migliorare il voto finale, può richiedere di svolgere una prova orale.

Per gli studenti con disabilità o con DSA si rimanda alla sezione Altre Informazioni.

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

• Il take home assignement è strutturato principalmente attraverso domande aperte. Serve a valutare (i) l'apprendimento dei concetti e delle informazioni di base trasmessi durante le lezioni frontali e/o attraverso il materiale didattico reso disponibile dal docente; (ii) la capacità di utilizzare criticamente tali concetti e informazioni di base per impostare semplici applicazioni. E' una prova da svolgere a casa, a libro aperto, dovuto entro un dato giorno di consegna. Può essere consultato qualsiasi libro, dispensa o materiale suggerito dal docente, o altro materiale che deve essere specificato, ma lo studente deve lavorare in modo indipendente, senza consultare altre persone.
• La prova scritta finale è strutturata attraverso domande aperte e chiuse, possibili resoconti delle lezioni. Quest'ultima tipologia di accertamento serve a valutare la capacità di interpretare correttamente le questioni concrete affrontate e a collocarle correttamente negli schemi logici e concettuali appresi durante il corso. È consentito avere un certo numero di pagine di appunti personali durante l'esame, ma non è possibile consultare appunti, libri, altre persone o risorse Internet durante l'esame. 
• La prova orale facoltativa, che lo studente può scegliere di sostenere in caso di superamento della prova scritta, è una riflessione che prende spunto da concetti e informazioni trattati durante l'intero insegnamento.

ALTRE INFORMAZIONI

Si ricorda alle studentesse e agli studenti con disabilità o con disturbi specifici dell'apprendimento (DSA) che per poter richiedere adattamenti in sede d'esame occorre prima inserire la certificazione sul sito web di Ateneo alla pagina servizionline.unige.it nella sezione “Studenti”. La documentazione sarà verificata dal Settore servizi per l’inclusione degli studenti con disabilità e con DSA dell’Ateneo, come indicato sul sito federato al link: SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI 11430 | Studenti con disabilità e/o DSA | UniGe | Università di Genova | Corsi di Studio UniGe

Successivamente, con significativo anticipo (almeno 10 giorni) rispetto alla data di esame occorre inviare una e-mail al/alla docente con cui si sosterrà la prova di esame, inserendo in copia conoscenza sia il docente Referente di Scuola per l'inclusione degli studenti con disabilità e con DSA (sergio.didomizio@unige.it) sia il Settore sopra indicato. Nella e-mail occorre specificare:

•            la denominazione dell’insegnamento

•            la data dell'appello

•            il cognome, nome e numero di matricola dello studente

•            gli strumenti compensativi e le misure dispensative ritenuti funzionali e richiesti.

Il/la referente confermerà al/alla docente che il/la richiedente ha diritto a fare richiesta di adattamenti in sede d'esame e che tali adattamenti devono essere concordati con il/la docente. Il/la docente risponderà comunicando se sia possibile utilizzare gli adattamenti richiesti.

Le richieste devono essere inviate almeno 10 giorni prima della data dell’appello al fine di consentire al/alla docente di valutarne il contenuto. In particolare, nel caso in cui si intenda usufruire di mappe concettuali per l’esame (che devono essere molto più sintetiche rispetto alle mappe usate per lo studio) se l’invio non rispetta i tempi previsti non vi sarà il tempo tecnico necessario per apportare eventuali modifiche.

Per ulteriori informazioni in merito alla richiesta di servizi e adattamenti consultare il documento: Linee guida per la richiesta di servizi, di strumenti compensativi e/o di misure dispensative e di ausili specifici