Course Syllabus
Obiettivi
Il corso si propone di fornire agli studenti i principi e le basi per comprendere il comportamento delle tecnologie elettrochimiche per la conversione e lo stoccaggio dell'energia, e per inquadrarle nel più ampio contesto dell'attuale scenario energetico.
Contenuti sintetici
Verranno presentati i principi termodinamici e cinetici dei conduttori ionici e delle interfacce elettrochimiche e discusso il metodo per la loro caratterizzazione elettrochimica. Verranno classificate le tecnologie elettrochimiche per la conversione dell'energia (celle a combustibile, elettrolizzatori, batterie primarie) e per lo stoccaggio (batterie secondarie, supercondensatori) e discussi i meccanismi di reazione di base.
Programma esteso
Introduzione alle nozioni di base delle celle e degli elementi elettrochimici (elettrodi, elettroliti). Fondamenti di termodinamica elettrochimica ed equilibrio elettrochimico all'interfaccia elettrodo. Tipo di elettrodi e definizioni IUPAC in elettrochimica. Trattamento cinetico di semplici reazioni elettrochimiche all'elettrodo. Controllo del trasferimento di carica e problema del trasporto di massa. Classificazione, conducibilità e mobilità degli elettroliti. L'elettrolita cristallino solido.
Problemi e soluzioni in elettrochimica sperimentale. Metodi elettrochimici, metodi DC chrono e metodi di potenziali sweep. Fondamenti di spettroscopia di impedenza elettrochimica.
Celle galvaniche ed elettrolizzatori. Energia e potenza delle fonti di energia elettrochimiche. Il diagramma di Ragone, sistemi aperti e sistemi chiusi. Classificazione delle celle a combustibile e fondamenti di termodinamica delle celle a combustibile. La corrente potenziale caratteristica di una cella a combustibile ideale. Batterie primarie e secondarie, schema generale delle batterie e ruolo dell'elettrolito. Curve di scarica nelle batterie. Efficienze nelle batterie secondarie. Condensatori elettrochimici a doppio strato, curve del potenziale di corrente. I concetti di super- e pseudo-condensatori.
Prerequisiti
Fisica e matematica di primo livello, termodinamica e cinetica chimica.
Modalità didattica
Lezioni frontali (5 CFU), esperienze di laboratorio (1 CFU)
Materiale didattico
Materiale fornito dal docente e capitoli scelti dai seguenti libri:
Bockris Reddy, Modern Electrochemistry 1 – Ionics (second edition) chapter 4
Bockris Reddy Gamboa-Aldeco, Modern Electrochemistry 2A – Fundamental of Electrodics (second edition), chapters 6,7
Bard Faulkner: Electrochemical Methods, Fundamental and Applications (2° Edition), chapters 3,4
Selezione di articoli scientifici
Periodo di erogazione dell'insegnamento
I semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
orale e valutazione dei report di labratorio.
Orario di ricevimento
su appuntamento
Sustainable Development Goals
Aims
The course aims to provide students with the principles and fundamentals to understanding the behaviour of electrochemical technologies for energy conversion and storage, and to classify them in the broader contest of the current energy scenario.
Contents
Thermodynamic and kinetic principles of the ionic conductors and electrochemical interfaces will be presented and the method for their electrochemical characterization discussed. The electrochemical technologies for energy conversion (fuel cells, electrolyzers, primary batteries) and storage (secondary batteries, supercapacitors) will be classified and the basic reaction mechanisms discussed.
Detailed program
Introduction to the basic ideas of electrochemical cells and elements (electrodes, electrolytes). Fundamentals of electrochemical thermodynamic and the electrochemical equilibrium at the electrode interface. Type of electrodes and IUPAC definitions in electrochemistry. Kinetic treatment of simple electrochemical reactions at the electrode. Charge transfer control and the mass transport problem. Electrolytes classification, conductivity, and mobility. The solid crystalline electrolyte.
Problems and solutions in experimental electrochemistry. Electrochemical methods, DC chrono methods and potential sweeps methods. Fundamentals of electrochemical impedance spectroscopy.
Galvanic cells and electrolyzers. Energy and power of electrochemical power sources. The Ragone plot, open and closed systems. Fuel cell classification and fundamentals of fuel cell thermodynamic. The current potential characteristic of an ideal fuel cell. Primary and secondary batteries, the general battery scheme, and the role of the electrolyte. Discharge curves in batteries. Efficiencies in secondary batteries. Electrochemical double layer capacitors, current potential curves. The concepts of super- and pseudo-capacitors.
Prerequisites
Standard physic and mathematic knowledge , thermodynamic and kinetic of chemical systems
Teaching form
Lectures (5 CFU), lab experiences (1 CFU) in group of 3 to 5 students.
Textbook and teaching resource
Teacher's slides and slected chapters from the following books:
Bockris Reddy, Modern Electrochemistry 1 – Ionics (second edition) chapter 4
Bockris Reddy Gamboa-Aldeco, Modern Electrochemistry 2A – Fundamental of Electrodics (second edition), chapters 6,7
Bard Faulkner: Electrochemical Methods, Fundamental and Applications (2° Edition), chapters 3,4
Selected scientific papers
Semester
I semester
Assessment method
Oral exam and reports on the lab. experiences
Office hours
on appointment
Sustainable Development Goals
Staff
-
Nicolò Pianta
-
Riccardo Ruffo
