Fotopolimeri a basso impatto per celle solari e batterie stabili e efficienti


TOC1Autore del lavoro candidato: 
Federico Bella

DESCRIZIONE TECNICA DEL LAVORO CHE VIENE CANDIDATO E DEI CONSEGUENTI RISULTATI : A) INQUADRAMENTO DEL TEMA TRATTATO E DEL LAVORO SVOLTO. Energia, Salute e Ambiente sono tre macrosettori fondamentali e strettamente interconnessi, capaci di garantire la sopravvivenza e l’evoluzione del genere umano. Il progressivo incremento della popolazione mondiale e la sempre più crescente diffusione di elettrodomestici e dispositivi elettronici di vario genere sta portando ad un aumento costante della domanda energetica (≈18 TW). La principale fonte energetica è attualmente rappresentata dai combustibili fossili, i quali però sono stati forieri negli anni di pesanti ripercussioni sociali, economiche ed ambientali, nonché peggiorative della salute umana. Un’alternativa ai combustibili fossili è rappresentata dall’energia solare, la cui conversione in elettricità rappresenterebbe la soluzione totale al sistema energetico, soprattutto se si pensa che il Sole è in grado di fornire un quantitativo di energia 10000 volte più grande dell’attuale consumo. Ciò spiega perché negli ultimi decenni varie tecnologie fotovoltaiche siano state proposte, la maggior parte delle quali però basate su materiali costosi (in termine di materia prima e/o lavorazione) e/o rari. Più recentemente la comunità scientifica ha virato verso il cosiddetto fotovoltaico di terza generazione, sviluppando – tra gli altri – la cella sensibilizzata con coloranti (dye-sensitized solar cell, DSSC), un dispositivo costituito da materiali abbondanti (TiO2, coloranti, vetro, sali di iodio), trasparente e di facile scalabilità industriale. Nonostante il dispositivo DSSC sia in grado di produrre efficienze superiori al 14%, questo soffre di due impor tanti problemi connessi alla stabilità a lungo termine: contiene un elettrolita liquido (quindi volatile) ed altri componenti organici (quindi soggetti a fotodegradazione sotto esposizione solare). In secondo luogo, occorre affrontare un limite dell’energia solare: questa è infatti discontinua, sia per l’alternanza giorno/notte, che per le condizioni climatiche variabili. Occorre quindi creare sistemi integrati per la conversione e stoccaggio dell’energia, e le batterie al litio e al sodio stanno sempre più imponendosi come scelta principale. Tuttavia, queste batterie presentano oggi limiti in termini di costo dei materiali, sicurezza per l’utilizzatore e processabilità industriale. Date queste premesse, l’obiettivo di questo progetto di ricerca pluriennale è stato quello di proporre nuovi materiali polimerici in grado di risolvere, con successo, i limiti in termini di efficienza, stabilità e sicurezza di celle fotovoltaiche di terza generazione e batterie ricaricabili, predisponendo protocolli per una loro rapida scalabilità industriale. B) GRADO DI INNOVAZIONE DEI RISULTATI OTTENUTI Questa tesi propone come approccio innovativo la polimerizzazione fotoiniziata (fotopolimerizzazione) come tecnica per la preparazione di: 1) Elettroliti polimerici fotoreticolati in grado di trattenere efficacemente al loro interno i sali di iodio/litio/sodio e gli altri componenti dell’elettrolita del sistema cella solare/batteria, evitandone l’evaporazione come nel caso degli elettroliti liquidi convenzionalmente utilizzati (forieri di tipici problemi quali il rigonfiamento o l’esplosione delle batterie di cellulari e computer); 2) Rivestimenti esterni fluoropolimerici e luminescenti per questi disposiivi, in grado sia di mantenerli puliti quando soggetti ad un uso esterno (si pensi a pannelli solari esposti sui tetti o come finestre, oppure blocchi di batterie conservati sul retro degli edifici). A tal scopo, il Candidato ha sviluppato nuovi fluoropolimeri che permettono il self-cleaning dei dispositivi, ma anche l’incremento delle prestazioni delle celle solari grazi e ad un fenomeno di down-shifting: la luce UV (presente al 5% nello spettro solare) viene convertita in luce visibile (non dannosa per i componenti organici della cella, anzi, in grado di aggiungersi alla componente visibile già presente nel sole). La combinazione di questi due materiali fotopolimerizzati (elettrolita e rivestimento esterno) ha portato all’ottenimento di dispositivi fotovoltaici con efficienze superiori al 7% e stabilità al 99% dopo invecchiamento accelerato per 1000 h secondo i protocolli internazionali. Per quanto riguarda le batterie, il Candidato ha sviluppato batterie allo stato solido (quindi rispondenti al 100% ai requisiti di sicurezza dei prodotti commercializzabili in Europa) in grado di fornire capacità specifiche superiori ai 150-200 mAh/g per oltre 2000 cicli. Inoltre, il candidato ha sviluppato la prima batteria al sodio polimerica (vedi pubblicazione allegata, rivista ChemSusChem): sostituire il Litio col Sodio è un importante obiettivo dei ricercatori, a partire dal 2014, in quanto il costo del Litio sta crescendo in modo preoccupante (viene già definito come “nuovo oro”), mentre il Sodio (che presenta caratteristiche elettrochimiche simili) è facilmente recuperabile dal mare. C) POSSIBILE IMPATTO APPLICATIVO DEI RISULTATI OTTENUTI Dal punto di vista industriale, il lavoro oggetto di questa tesi presenta un notevole impatto ad iniziare dalla tecnica di polimerizzazione utilizzata. Infatti, la fotopolimerizzazione è un processo di sicura fattibilità ed estremamente rapido (1-3 min), che richiede poca energia rispetto a processi termici, nessun solvente/catalizzatore, né step di purificazione o separazione dei prodotti. Ciò comporterebbe la progettazione di processi ed impianti industriali estremamente più semplici ed economici per la produzione di DSSC; inoltre, sia l’elettrolita che il rivestimento polimerico esterno sono ottenibili con processi roll-to-roll, in grado di garantire un’elevata produttività di dispositivi fotovoltaici su larga area e scala. Dal punta di vista sociale e della sostenibilità ambientale, questi materiali consentirebbero finalmente di garantire la diffusione di batterie e dispositivi fotovoltaici per abitazioni, uffici ed industrie, bypassando questioni economiche e di impatto ambientale tipiche della tecnologia al silicio (per il solare) e al piombo (per le batterie). D) RILEVANZA SCIENTIFICA DEI RISULTATI OTTENUTI ED EVENTUALI PUBBLICAZIONI Batterie ricaricabili e fotovoltaico di terza generazione costituiscono oggi uno dei settori scientifici principali a livello mondiale, come testimoniato dalle 10000 pubblicazioni scientifiche (fonte: SCOPUS) e dai 3000 brevetti (fonte: WIPO) annualmente prodotti. Durante il triennio di Dottorato ed i primi mesi di Post-Dottorato, il candidato ha pubblicato 32 articoli su riviste scientifiche internazionali (di cui 3 aventi IF superiore a 15, e 13 articoli con IF superiore a 5), 75 contributi a convegni nazionali/internazionali, 2 capitoli di libri, 1 libro ed 1 brevetto internazionale. Il candidato conta più di 500 citazioni (h-index = 15), e nella recente valutazione dei dipartimenti nazionali svolta dal CINECA non figurano ricercatori under-30 con un livello di produttività scientifica superiore. E’ noto che la comunità scientifica deve far fronte alla sempre più incalzante e crescente domanda energetica a livello globale. D’altro canto, è altresì necessario individu are fonti di energia rinnovabili facilmente convertibili in elettricità, con un impegno congiunto volto all’individuazione di materiali e processi a basso costo e basso impatto ambientale. Il lavoro presentato con questa candidatura presenta aspetti di applicazione pratica e rilevanza commerciale altamente importanti. Dal lato pratico, questo lavoro ha portato allo sviluppo di materiali polimerici aventi proprietà chimico-fisiche, elettrochimiche ed ottiche in grado di funzionare efficientemente sia in celle solari di terza generazione, che in batterie al litio (o al sodio). Oltre all’aspetto innovativo di poter utilizzare lo stesso materiale (quindi ottenuto dallo stesso impanto di produzione) per diversi dispositivi energetici, è degno di nota sottolineare che i materiali proposti sono ottenuti tramite processi di fotopolimerizzazione, quindi richiedenti soltanto una sorgente luminosa e non elevate temperature, lunghi tempi, solventi o reagenti chimici ad elevato impatto ambientale. Per tali motivi, i materiali oggetto di questo lavoro sono già pronti per un up-scaling a livello industriale. Dal punto di vista commerciale, la produzione e lo stoccaggio di elettricità rappresentano due pietre miliari. Il numero di brevetti in questo campo è in rapida ascesa, e il punto chiave è rappresentato dallo sviluppo di nuovi materiali in grado di essere allo stesso tempo efficienti e stabili (al contrario, la letteratura scientifica premia spesso il record in termini di efficienza, mentre la stabilità a lungo termine – fattore chiave dal punto di vista applicativo – viene quasi scartato). Questo lavoro è proprio volto a massimizzare efficienza e stabilità allo stesso tempo, sviluppando nuovi polimeri per batterie e celle solari. Oltre alle pubblicazioni ed ai brevetti riportati nelle successive sezioni, è degno di nota che il gruppo di ricerca del candidato collabori attivamente con l’azienda Lithops SrL (vedi http://www.lithops.it/lithops/Enter.html), la prima azienda italiana volta alla produzione di batterie al litio, inaugurata nel 2010 (e recentemente potenziata). Grazie all’apporto di materiali sviluppati dal candidato e dal suo gruppo di ricerca (vedi brevetti e pubblicazioni sotto riportati), Lithops ha sviluppato batterie ad alta potenza per autoveicoli in grado di ricaricarsi in soli 5 minuti