OBIETTIVI FORMATIVI

The course gives an overview of electrochemical conversion and storage devices, dealing with advanced materials and technologies for rechargeable batteries, fuel cells, electrolysers, supercapacitors, dye-sensitised cells and electrolysis cells. Students are introduced to equivalent circuits analysis and electrochemical characterization techniques, with particular focus on electrochemical impedance spectroscopy.

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.

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 due esperienze di laboratorio, correlate agli argomenti trattati. Agli studenti, che lavoreranno in gruppo di due o 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.