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.
Conoscenze e capacità di comprensione
Al termine del corso lo studente conosce:
- Concetti di base dei sistemi elettrochimici (elettroliti, elettrodi, fenomeni di trasporto, teoria dell'interfaccia elettrificata).
- Principali tecnologie di accumulo elettrochimico dell'energia (supercapacitori, batterie), loro natura e composizione.
- Tecniche di analisi elettrochimica dei suddetti dispositivi (analisi a corrente costante, voltammetria, spettroscopia d'impedenza).
Applicazione delle conoscenze e capacità di comprensione
Al termine del corso, lo studente è in grado di:
- Comprendere i principali fenomeni elettrochimici e la natura dei dispositivi elettrochimici.
- Applicare le conoscenze acquisite per valutare in modo critico la scelta dei materiali nei diversi dispositivi per di accumulo elettrochimico di energia, considerando le loro proprietà strutturali, elettroniche e funzionali.
- Assemblare un dispositivo elettrochimico, preparandone elettroliti ed elettrodi.
- Comprendere ed effettuare analisi sulle varie componenti di un sistema di accumulo (elettrolita, anodo e catodo)
Autonomia di giudizio
Al termine di questa attività formativa, lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di:
- Dimostrare la padronanza degli argomenti trattati nel corso
- Comprendere il principio di funzionamento di un dispositivo elettrochimico di accumulo dell'energia
- Dimostrare di essere in grado di analizzare criticamente dati elettrochimici raccolti in laboratorio. Ciò comprende anche la capacità di organizzare i dati in un elaborato scientifico.
Abilità comunicative
Al termine di questa attività, lo studente sarà in grado di esporre oralmente e con proprietà di linguaggio gli argomenti scientifici relativi i sistemi di accumulo di energia. Lo studente sarà anche in grado di produrre un elaborato scritto relativo alle esperienze di laboratorio.
Capacità di apprendere
Al termine del corso, lo studente è in grado di:
- Approfondire in modo autonomo le conoscenze sui materiali e dispositivi di accumulo elettrochimico di energia attraverso la letteratura scientifica e risorse specialistiche.
- Aggiornarsi costantemente sugli sviluppi della ricerca e sull’evoluzione tecnologica nel campo dei sistemi di accumulo elettrochimico.
- Valutare criticamente nuove informazioni e dati nel settore, a supporto del processo decisionale e della risoluzione di problemi.
-Sviluppare un approccio multidisciplinare allo studio e alla comprensione dei sistemi di accumulo elettrochimico dell'energia, integrando principi di scienza dei materiali, chimica e ingegneria. - Proseguire efficacemente il proprio percorso di apprendimento sia in ambito accademico che professionale, in particolare nel settore delle tecnologie di accumulo dell'energia.
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
La modalità didattica è suddivisa in lezioni frontali (5 CFU) ed esperienze di laboratorio (1 CFU). Le lezioni frontali saranno supportate da materiale didattico multimediale. Il laboratorio consiste in esperienze condivise (gruppi di 3 - 5 studenti) sugli argomenti trattati durante il corso.
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
L'esame principale si terrà in modalità orale e sarà relativo agli argomenti trattati durante il corso. A concorrere al giudizio verrà valutato anche un elaborato prodotto al termine delle esperienze di laboratorio (costruito sulla falsa riga di un articolo scientifico).
Orario di ricevimento
su appuntamento
Sustainable Development Goals
Aims
The course aims to provide students with the principles and bases to understand the behavior of electrochemical technologies for energy conversion and storage, and to place them in the broader context of the current energy scenario.
Knowledge and understanding
At the end of the course, the student knows:
- Basic concepts of electrochemical systems (electrolytes, electrodes, transport phenomena, electrified interface theory).
- Main technologies for electrochemical energy storage (supercapacitors, batteries), their nature and composition.
- Electrochemical analysis techniques of the aforementioned devices (constant current analysis, voltammetry, impedance spectroscopy).
Applying knowledge and understanding
At the end of the course, the student is able to:
- Understand the main electrochemical phenomena and the nature of electrochemical devices.
- Apply the acquired knowledge to critically evaluate the choice of materials in different electrochemical energy storage devices, considering their structural, electronic and functional properties.
- Assemble an electrochemical device, preparing electrolytes and electrodes.
- Understand and perform analyses on the various components of a storage system (electrolyte, anode and cathode)
Making judgments
At the end of this course, the student must demonstrate the ability to:
- Demonstrate mastery of the topics covered in the course
- Understand the operating principle of an electrochemical energy storage device
- Demonstrate the ability to critically analyze electrochemical data collected in the laboratory. This also includes the ability to organize the data in a scientific paper.
Communication skills
At the end of this activity, the student will be able to orally and with proper language skills present the scientific topics related to energy storage systems. The student will also be able to produce a written paper related to the laboratory experiments.
Learning skills
Upon completion of the course, the student is able to:
- Independently deepen their knowledge of electrochemical energy storage materials and devices through scientific literature and specialist resources.
- Constantly update themselves on research developments and technological evolution in the field of electrochemical storage systems.
- Critically evaluate new information and data in the sector, to support decision-making and problem solving.
- Develop a multidisciplinary approach to the study and understanding of electrochemical energy storage systems, integrating principles of materials science, chemistry and engineering.
- Effectively continue their learning path both in academic and professional settings, particularly in the field of energy storage technologies.
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
The teaching method is divided into lectures (5 CFU) and laboratory experiences (1 CFU). The lectures will be supported by multimedia teaching material. The laboratory consists of shared experiences (groups of 3 - 5 students) on the topics covered during the course.
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
The main exam will be held in oral mode and will be related to the topics covered during the course. A paper produced at the end of the laboratory experiences (constructed along the lines of a scientific article) will also be evaluated to contribute to the judgment.
Office hours
on appointment
Sustainable Development Goals
Staff
-
Nicolò Pianta
-
Riccardo Ruffo
