CODICE 104068 ANNO ACCADEMICO 2026/2027 CFU 6 cfu anno 2 ADVANCED MATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY 11967 (LM SC.MAT.) - GENOVA 6 cfu anno 1 ADVANCED MATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY 11967 (LM SC.MAT.) - GENOVA SETTORE SCIENTIFICO DISCIPLINARE IMAT-01/A LINGUA Inglese SEDE GENOVA PERIODO 1° Semestre MATERIALE DIDATTICO AULAWEB PRESENTAZIONE L’insegnamento analizza i principi che governano i sistemi elettrochimici per la conversione e l’accumulo di energia, con particolare attenzione al ruolo di materiali, difetti, superfici, interfacce, microstruttura e trasporto nel determinare prestazioni e durata. I concetti sono applicati a pile a combustibile, elettrolizzatori e batterie, integrando caratterizzazione sperimentale e modellazione multifisica. OBIETTIVI E CONTENUTI OBIETTIVI FORMATIVI Lo scopo del corso è quello di fornire i concetti di elettrochimica e gli aspetti della scienza dei materiali che costituiscono la base dei sistemi elettrochimici più promettenti per la produzione di energia. Al termine del corso lo studente avrà acquisito le conoscenze teoriche relative alla struttura e al principio di funzionamento di ciascun dispositivo, sia esso destinato alla conversione (flussi di corrente spontanei - celle galvaniche, celle fotoelettrochimiche - e forzati - elettrolizzatori) o allo stoccaggio (batterie secondarie, supercondensatori). OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO L’insegnamento si propone di fornire una comprensione integrata dei fenomeni termodinamici, cinetici e di trasporto che governano i sistemi elettrochimici per l’energia e di sviluppare la capacità di collegare proprietà dei materiali, superfici e interfacce, architettura del dispositivo e prestazioni elettrochimiche. Al termine dell’insegnamento, lo studente sarà in grado di: spiegare i principi termodinamici ed elettrochimici alla base della conversione e dell’accumulo di energia, distinguendo equilibrio, potenziale reversibile e funzionamento in polarizzazione; collegare difetti cristallini, composizione, proprietà di trasporto e microstruttura al comportamento ionico, elettronico e diffusivo dei materiali utilizzati nei sistemi ellettrochimici; interpretare fenomeni superficiali e interfacciali e applicare i concetti di trasferimento di carica, elettrocatalisi, TPB, MIEC e resistenza di contatto all’analisi delle prestazioni; confrontare celle a combustibile, elettrolizzatori e batterie in termini di funzionamento, portatori di carica, materiali, architettura, condizioni operative, prestazioni e degradazione; analizzare curve di polarizzazione, dati elettrochimici e spettri di impedenza per distinguere contributi termodinamici, cinetici, ohmici e di trasporto sulla base dei dati disponibili; interpretare risultati di caratterizzazione elettrochimica e di modellazione multifisica collegandoli ai fenomeni fisici e alle proprietà dei materiali e delle interfacce; analizzare un problema di prestazione o degradazione e formulare ipotesi fisicamente motivate, proponendo strategie sperimentali o di modifica del materiale/dispositivo; comunicare in modo chiaro e scientificamente appropriato l’interpretazione di dati, fenomeni e soluzioni relative ai sistemi elettrochimici, la cui analisi richiede un approccio multidisciplinare. PREREQUISITI Sono richieste conoscenze di base di chimica generale e fisica, con particolare riferimento alla struttura della materia, alle interazioni chimiche e ai principi fondamentali della termodinamica. È utile una familiarità con i concetti di base di scienza dei materiali, quali struttura, microstruttura e relazione tra struttura e proprietà. MODALITA' DIDATTICHE L’insegnamento comprende 36 ore di lezioni e 12 ore di laboratorio. Le lezioni integrano spiegazione teorica, discussione di casi studio, interpretazione di grafici e dati sperimentali e attività di problem solving. Il corso include attività di modellazione multifisica, con attenzione al collegamento fra fenomeni fisici, simulazione e comportamento osservabile del dispositivo. Le attività di laboratorio comprendono: architettura e messa in funzione della cella, attivazione/riduzione e misura dell’OCV; caratterizzazione mediante misure galvanostatiche e curve di polarizzazione; diagnostica mediante linear sweep ed EIS. Gli studenti sono guidati a interpretare i risultati in termini di materiali, interfacce e fenomeni di trasporto. La frequenza alle attività di laboratorio è richiesta secondo il Regolamento del Corso di Studio. Materiale didattico e dati sperimentali sono resi disponibili su Aulaweb. PROGRAMMA/CONTENUTO Fondamenti di elettrochimica Termodinamica ed equilibrio elettrochimico; potenziale di cella ed equazione di Nernst; condizioni di funzionamento reale e polarizzazione; irreversibilità ed efficienza. Materiali funzionali, difetti e trasporto Struttura e difetti nei materiali; conduzione ionica ed elettronica; materiali a conduzione mista; fenomeni di trasporto e trasporto nei materiali porosi; relazione tra composizione, microstruttura e proprietà funzionali. Interfacce elettrochimiche e cinetica Interfacce elettrodo/elettrolita e doppio strato; processi superficiali ed elettrocatalisi; cinetica di trasferimento di carica; Butler–Volmer e sovratensione; area elettrochimicamente attiva, TPB, MIEC e resistenze di contatto. Celle a combustibile Principi di funzionamento, architetture e materiali delle celle PEMFC e SOFC; prestazioni, meccanismi di perdita e principali fenomeni di degradazione. Elettrolizzatori e sistemi elettrochimici reversibili Principi dell’elettrolisi dell’acqua; PEMEC e SOEC; prestazioni, materiali e fenomeni di degradazione; reversibilità dei sistemi elettrochimici. Batterie ricaricabili e sistemi di accumulo Principi di funzionamento e architettura delle batterie; materiali per batterie Li-ion; intercalazione, conversione e alloying; elettroliti e interfacce; prestazioni, rate capability e degradazione. Cenni a batterie allo stato solido, sistemi sodio-ione e supercondensatori. Modellazione multifisica e diagnostica elettrochimica Approcci di modellazione fisica e multifisica dei sistemi elettrochimici; accoppiamento tra cinetica, trasporto di carica e di massa e interpretazione dei risultati di simulazione. Principi e applicazioni delle principali tecniche di caratterizzazione elettrochimica, con particolare riferimento alle misure in corrente continua e alla spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS). TESTI/BIBLIOGRAFIA R. O’Hayre et al., Fuel Cell Fundamentals, 4th ed., Wiley, 2022. A. J. Bard, L. R. Faulkner, H. S. White, Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications, 3rd ed., Wiley, 2022. J. Newman, K. E. Thomas-Alyea, Electrochemical Systems, 3rd ed., Wiley, 2004. Materiale didattico fornito dal docente. Indicazioni bibliografiche specifiche saranno fornite durante il corso. DOCENTI E COMMISSIONI MARIA PAOLA CARPANESE Ricevimento: Appuntamento tramite posta elettronica (preferibile) o telefono. Commissione d'esame MARIA PAOLA CARPANESE (Presidente) ANTONIO BARBUCCI LEZIONI INIZIO LEZIONI Secondo l'orario riportato qui Orari delle lezioni L'orario di questo insegnamento è consultabile all'indirizzo: Portale EasyAcademy ESAMI MODALITA' D'ESAME La valutazione finale è articolata in un Take-Home Assignment (THA), pari al 40% del voto, e in una prova scritta finale, pari al 60%. Il THA consiste in un problema scientifico complesso, individuale e basato su dati sperimentali e/o di simulazione, che richiede di interpretare risultati, identificare i fenomeni che limitano le prestazioni e proporre possibili soluzioni o ulteriori verifiche. Il 30% del voto è attribuito all’elaborato scritto e il 10% a una breve discussione individuale (5–10 minuti), finalizzata a verificare la comprensione personale del lavoro svolto. La prova scritta finale è costituita da domande aperte e quesiti sull’interpretazione di dati, curve e/o spettri eletrochimici, al fine di verificare la padronanza individuale dei concetti fondamentali e la capacità di ragionamento in condizioni di tempo limitato. Non sono previste prove a risposta multipla o quiz. MODALITA' DI ACCERTAMENTO Il THA valuta principalmente la capacità di integrare conoscenze su materiali, elettrochimica, trasporto e caratterizzazione. L’elaborato è valutato considerando la capacità di interpretare i dati, identificare i meccanismi responsabili del comportamento osservato, proporre strategie motivate di verifica o miglioramento, nonchè la chiarezza della comunicazione scientifica. La breve discussione individuale verifica la comprensione e la capacità di motivare le principali scelte effettuate nell’elaborato. La prova scritta finale verifica invece la padronanza individuale dei risultati di apprendimento attraverso domande aperte, interpretazione di dati e capacità di stabilire relazioni causa-effetto. In tutte le attività sono criteri essenziali la correttezza scientifica e l’uso appropriato dei dati. ALTRE INFORMAZIONI L’insegnamento è erogato integralmente in lingua inglese nell’ambito del SERP Erasmus Mundus Joint Master’s programme. Nel THA è consentito l’uso di strumenti di intelligenza artificiale generativa come risorse di supporto, purché il loro impiego sia dichiarato dallo studente indicando strumenti, finalità e ambito di utilizzo. Lo studente rimane pienamente responsabile della correttezza scientifica, dell’interpretazione dei dati, delle citazioni e delle conclusioni presentate. Per studenti con esigenze specifiche, DSA, disabilità o altri bisogni educativi, è possibile concordare con il docente e con il referente per l’inclusione modalità didattiche e valutative appropriate, nel rispetto dei risultati di apprendimento.
