IT201800002541A1

IT201800002541A1 - Materiale attivo e generatore di potenza elettrica contenente lo stesso

Info

Publication number: IT201800002541A1
Application number: IT201800002541A
Authority: IT
Inventors: Luca Magagnin; Vincenzo Tirella; Alessandra Accogli; Gabriele Panzeri; Eugenio Gibertini
Original assignee: Termo Ind Sa; Milano Politecnico
Priority date: 2018-02-09
Filing date: 2018-02-09
Publication date: 2019-08-09
Also published as: WO2019155011A1; MA51743A; US20210399191A1; EP3750194B1; ES2928203T3; EP3750194A1

Description

“MATERIALE ATTIVO E GENERATORE DI POTENZA ELETTRICA CONTENENTE LO STESSO MATERIALE”

DESCRIZIONE

CAMPO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un materiale attivo da utilizzare per la produzione di un generatore elettrico e al metodo per ottenere tale mezzo. La presente invenzione quindi si riferisce anche ad un generatore elettrico comprendente suddetto materiale attivo.

STATO DELL’ARTE

L'impiego di generatori di energia termoelettrica e generatori di energia termoionica per la conversione dell'energia termica direttamente in energia elettrica è ampiamente noto.

I generatori termoelettrici di potenza sono dispositivi basati sull’effetto termoelettrico, ossia l’effetto Seebeck, coinvolgente interazioni tra il flusso di calore ed elettricità tra corpi solidi. Esempi di questi dispositivi sono descritti nel brevetto EP 2521192 e nella domanda di brevetto EP 2277209. In generale, i generatori termoelettrici sono costituiti da tre componenti principali: materiale termoelettrico, moduli termoelettrici e sistema termoelettrico che si interfacciano con una fonte di calore.

I materiali termoelettrici generano potenza direttamente dal calore convertendo differenze di temperatura in voltaggio elettrico. In particolare, questi materiali hanno tipicamente sia elevata conduttività elettrica sia bassa conduttività termica. La bassa conduttività termica garantisce che, una volta scaldato un solo lato, l’altro rimanga freddo. Questo aiuta a generare un elevato voltaggio quando presente un gradiente di temperatura.

Un modulo termoelettrico, è un circuito contenente materiali termoelettrici che generano elettricità direttamente dal calore. Un modulo consta di due differenti materiali termoelettrici uniti alle loro estremità, ossia un semiconduttore carico negativamente e un semiconduttore carico positivamente. Una corrente elettrica diretta circolerà nel circuito quando presente un gradiente di temperatura tra i due materiali. Tale gradiente è fornito dal sistema termoelettrico che tipicamente comprende scambiatori di calore utilizzati su entrambi i lati del modulo in modo da raffreddare e riscaldare.

I generatori termoionici di potenza, chiamati anche convertitori termoionici, convertono direttamente il calore in energia elettrica. Un generatore di potenza termoionica comprende tipicamente due elettrodi disposti in un sistema. Uno di questi elettrodi è scaldato a temperature sufficientemente elevate da diventare un emettitore di elettroni o “piastra riscaldata”. L’altro elettrodo è chiamato collettore poiché riceve gli elettroni emessi. Il collettore è mantenuto a temperature sufficientemente più basse rispetto all’altro. Lo spazio tra i due elettrodi può essere vuoto o in alternativa riempito con gas vapore a bassa pressione. L’energia termica può essere fornita da fonti chimiche, solari o nucleari.

I generatori termoelettrici di potenza così come i generatori termoionici di potenza hanno molti svantaggi, tra cui la bassa efficienza di conversione e la necessità di fornire un gradiente di temperatura. In aggiunta, tali generatori, richiedono una fonte di calore relativamente costante.

Quindi, lo scopo principale della presente invenzione è quello di fornire un generatore di energia elettrica capace di convertire parte dell’energia termica in energia elettrica e consenta di ovviare agli inconvenienti dei dispositivi già noti alla tecnica.

RIEPILOGO DELL’INVENZIONE

Gli inventori hanno sorprendentemente scoperto un nuovo materiale attivo in grado di essere applicato su un elettrodo e di generare corrente quando posto tra almeno due elettrodi senza carica iniziale e con una dipendenza dalla temperatura.

Pertanto, la presente invenzione si riferisce ad un materiale attivo comprendente almeno un composto contenente ossigeno scelto da Fe3O4 e Fe2O3, almeno un additivo addensante selezionato dal gruppo consistente in agar agar, gomma xanthano, metilcellulosa, e gomma arabica, e almeno un additivo plasticizzante, in cui la dimensione particellare dell’almeno un composto di ossigeno ha un diametro medio nell’intervallo da 10 nm a 40 nm.

Nella presente invenzione con il termine “additivo plasticizzante” si intende una sostanza in grado di produrre o promuovere la plasticità quando addizionata, ad esempio, a silicone, silossani o cera di carnauba, ma naftalene, PVDF, Parilene, PTFE, FEP, PDMS, PVA, e biopolimeri possono anche essere contemplati.

Quando nella presente invenzione si fa riferimento a “dimensione particellare” dell’almeno un composto contenente ossigeno, si intende il diametro medio di detta particella così come misurata per mezzo di microscopio elettronico a scansione (SEM), a trasmissione (TEM) oppure tramite Dynamic Light Scattering (DLS).

In una forma preferita il materiale attivo dell’invenzione comprende un ulteriore composto contenente ossigeno scelto da MgO, ZnO, ZrOCl2, ZrO2, SiO2, Bi2O3, Al2O3, TiO2 e loro miscela, detto ulteriore composto contenente ossigeno ha un diametro medio da 10 nm a 40 µm.

In una forma di realizzazione preferita dell’invenzione, il materiale attivo comprende Fe3O4 e Fe2O3 quale composto contenente ossigeno, agar agar, gomma xanthano e metilcellulosa quali additivi addensanti e silicone come additivo plasticizzante. In un altro aspetto l’invenzione concerne un processo di preparazione del materiale attivo comprendente le seguenti fasi:

a) Preparare una soluzione di almeno un composto contenente ossigeno scelto da Fe3O4 e Fe2O3 con un solvente scelto dal gruppo consistente in acqua, etilen glicole, dimetilcarbonato, etilencarbonato, dietilcarbonato, propilencarbonato, glicerina, dimetil solfossido e relative miscele;

b) Scaldare la soluzione della fase a) in un intervallo di temperatura da 75 a 90°C; c) Aggiungere almeno un additivo addensante scelto dal gruppo consistente di agar agar, gomma xanthano, metilcellulosa e gomma arabica, ottenendo così una soluzione omogenea;

d) Raffreddare la soluzione omogenea della fase c) fino ad una temperatura nell’intervallo da 30°C a 15°C, così ottenendo un materiale gelificato;

e) Aggiungere almeno un additivo plasticizzante al materiale gelificato ottenendo così il materiale attivo,

in cui la dimensione delle particelle dell’almeno un composto contenente ossigeno ha un diametro medio da 10 nm a 40 µm.

In ancora un ulteriore aspetto, l’invenzione concerne un processo alternativo per la preparazione del materiale attivo comprendente le seguenti fasi:

i) Preparare una prima soluzione di almeno un composto contenente ossigeno scelto da Fe3O4 e Fe2O3 con un solvente scelto dal gruppo consistente in acqua, etilen glicole, dimetilcarbonato, etilencarbonato, dietilcarbonato, propilencarbonato, glicerina, dimetil solfossido e relative miscele;

ii) Scaldare la prima soluzione della fase i) ad un a temperatura nell’intervallo da 90 a 110°C;

iii) Raffreddare la soluzione omogenea della fase ii) fino ad una temperatura nell’intervallo da 50°C a 30°C;

iv) Preparare una seconda soluzione con un solvente selezionato dal gruppo consistente in acqua, etilen glicole, dimetilcarbonato, etilencarbonato, dietilcarbonato, propilencarbonato, glicerina, dimetil solfossido e relative miscele con almeno un additivo addensante selezionato dal gruppo consistente di agar agar, gomma xanthano, metilcellulosa e gomma arabica;

v) Scaldare la seconda soluzione della fase iv) fino ad una temperatura nell’intervallo da 90 a 120 °C;

vi) Miscelare la prima soluzione omogenea della fase ii) a 45°C con la seconda soluzione della fase v), ottenendo così una ulteriore soluzione omogenea; vii) Raffreddare l’ulteriore soluzione omogenea della fase vi) fino ad una temperatura nell’intervallo da 30 °C a 20 °C e sottoporla a cicli di raffreddamento da temperatura ambiente a -18°C;

ix) Aggiungere almeno un additivo plasticizzante alla soluzione della fase vii), ottenendo una soluzione di materiale omogenea;

x) Rimuovere facoltativamente il solvente, ottenendo il materiale attivo,

in cui la dimensione delle particelle dell’almeno un composto contenente ossigeno ha un diametro medio nell’intervallo da 10 nm a 40µm.

In un aspetto preferito dell’invenzione, la soluzione della fase a) o la prima soluzione della fase i) comprende un ulteriore composto contenente ossigeno selezionato da MgO, ZnO, ZrOCl2, ZrO2, SiO2, Bi2O3, Al2O3, TiO2 e le loro miscele, questo ulteriore composto contenente ossigeno avendo un diametro medio delle particelle nell’intervallo da 10 nm a 40 µm.

In un ulteriore aspetto, l’invenzione si riferisce ad un generatore elettrico di potenza (EPG) comprendente almeno due elettrodi, posti ad adeguata distanza l’uno dall’altro e preferibilmente fatti di materiali differenti. L’EPG comprende il materiale attivo in accordo con l’invenzione tra almeno due elettrodi. Gli elettrodi sono fatti di materiali metallici, leghe e/o materiali a base carbonio, ad esempio la grafite. Lo spessore degli elettrodi varia preferibilmente da 0.1 a 3000 µm, più preferibilmente da 50 a 1000 µm, ancor più preferibilmente da 300 a 600 µm. In una forma di realizzazione preferita dell’EPG dell’invenzione, i due elettrodi sono fatti di Cu e Al, preferibilmente in forma di piastre o fogli sostanzialmente paralleli. In caso di EPG flessibile, sia materiali flessibili self-standing (tra i materiali elencati precedenti) che polimeri metallizzati possono essere considerati come elettrodi.

La presente invenzione si riferisce anche al modulo di generatore di potenza (PGM) comprendente una pluralità di EPG che possono essere connessi in serie o in parallelo senza compromettere le caratteristiche dell’EPG (voltaggio e corrente). DESCRIZIONE DELLE FIGURE

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata del materiale attivo e delle forme di realizzazione preferite del generatore di energia elettrica con l'ausilio dei disegni allegati, in cui:

- Figura 1 mostra la struttura a sandwich del generatore di energia elettrica comprendente il materiale attivo secondo la presente invenzione;

- Le Figure 1A e 1B mostrano rispettivamente una prima e una seconda forma di realizzazione del modulo di generatore di potenza (PGM) comprendente una pluralità di EPG secondo l’invenzione;

- Figura 2 mostra un esempio di un circuito elettrico comprendente il generatore di energia elettrica secondo la presente invenzione;

-Figura 2A e 2B mostrano un circuito comprendente il PGM descritto nell’invenzione secondo l’esempio 14, rispettivamente durante la fase di carica (figura 2A) e di scarica (figura 2B).

-Figura 2C mostra un circuito comprendente l’EPG e un potenziostato/galvanostato utilizzato nell’esempio 13;

- Figura 3 mostra l’esempio di un circuito elettrico comprendente l’EPG secondo la presente invenzione;

- Figura 4 mostra la curva dei risultati del test condotto nell'esempio 9;

- Figura 5 mostra la curva dei risultati del test condotto nell'esempio 10;

- Figura 6 mostra la curva dei risultati del test condotto nell'esempio 11; and - Figura 7 mostra la curva dei risultati del test condotto nell'esempio 12;

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE

La presente invenzione pertanto si riferisce ad un materiale attivo comprendente almeno un composto contenente ossigeno scelto da Fe3O4 e Fe2O3, almeno un additivo addensante selezionato dal gruppo consistente in agar agar, gomma xanthano, metilcellulosa, e gomma arabica, e almeno un additivo plasticizzante, in cui la dimensione particellare dell’almeno un composto di ossigeno ha un diametro medio nell’intervallo da 10 nm a 40 nm.

Nel materiale attivo descritto dall’invenzione, l’almeno un composto contenente ossigeno ha una dimensione delle particelle corrispondente ad un diametro medio nell’intervallo da 10 nm a 40 µm.

Preferibilmente il materiale attivo comprende Fe3O4 e Fe2O3.

In una forma di attuazione preferita dell’invenzione il materiale attivo comprende un ulteriore composto contenente ossigeno selezionato da MgO, ZnO, ZrOCl2, ZrO2, SiO2, Bi2O3, Al2O3, TiO2 e relative miscele, detto composto contenente ossigeno avendo un diametro medio nell’intervallo da 10 nm a 40 µm.

Le dimensioni delle particelle dell’almeno un composto contenente ossigeno e dell’ulteriore composto contenente ossigeno hanno diametro medio nell’intervallo da 10 nm a 40 µm, preferibilmente nell’intervallo da 15 nm a 10 µm, più preferibilmente da 20 nm a 5 µm. Più preferibilmente, la dimensione delle particelle dell’almeno un composto contenente ossigeno e dell’ulteriore composto contenente ossigeno ha un diametro medio nell’intervallo 10-200 nm, più preferibilmente 15-100 nm, ancora più preferibilmente nell’intervallo da 20 nm a 40 nm.

Il materiale attivo comprende preferibilmente un composto contenente ossigeno scelto da Fe3O4 e Fe2O3, preferibilmente in percentuale in peso nell’intervallo da 3% a 17%, preferibilmente il 10% rispetto al peso totale del materiale attivo.

Il materiale attivo preferibilmente comprende Fe3O4 e Fe2O3 insieme a ulteriori composti contenenti ossigeno, vale a dire MgO, ZnO e ZrO2 come composti contenenti ossigeno, preferibilmente ciascuno in percentuale in peso da 0.7 % a 20%, preferibilmente 3.7% rispetto al peso totale del materiale attivo.

Il materiale attivo descritto nell’invenzione comprende almeno un additivo addensante scelto dal gruppo consistente in agar agar, gomma xanthano, metilcellulosa e gomma arabica. Preferibilmente, il materiale attivo comprende agar agar, gomma xanthano e / o metilcellulosa come additivi addensanti, preferibilmente ciascuno in percentuale in peso da 0.19% a 6.5%, ancora più preferibilmente 0.84% rispetto al peso totale della materiale attivo.

Il materiale attivo comprende inoltre almeno un additivo plastificante, preferibilmente scelto dal gruppo consistente in silicone, silossani, cera di carnauba, naftalene, PVDF, FEP, PDMS, PVA e biopolimeri.

Senza essere legati ad alcuna teoria, gli inventori ragionevolmente sostengono che l’uso combinato di questi materiali, ossia l’additivo plasticizzante con l’almeno un composto contenente ossigeno dell’invenzione, possa incrementare le performance dei materiali stessi e quindi del generatore elettrico di potenza che li contiene, incrementando così i risultati ottenuti sotto particolari regimi.

Più preferibilmente, l’almeno un additivo plastificante è silicone, in una quantità da 5 a 40%, preferibilmente 12.5% e 37.5%, ancora più preferibilmente 33.3% in peso rispetto al peso totale del materiale gelificato.

Il materiale gelificato è ottenuto al termine della fase d) del processo di invenzione come sarà chiarito successivamente. Il materiale attivo comprende inoltre almeno un additivo plastificante rispetto al peso del materiale gelificato nell'intervallo da 1:4 a 3:2, preferibilmente in un rapporto di 1:3.

Il materiale attivo può comprendere altri composti, preferibilmente Antracene, materiali PZT e Si3N4.

Il materiale attivo può essere anidro o contenere una determinata quantità di acqua derivante dal processo di preparazione. Nella forma di realizzazione preferita, il processo comporta l’eliminazione dell’acqua in eccesso, garantendo quindi che l’acqua sia presente come acqua coordinata assorbita, in una percentuale di almeno l’1% rispetto alla massa totale del materiale attivo.

Gli inventori ritengono che tale percentuale di acqua coordinata nel materiale attivo finale possa migliorare le performance del dispositivo finale ottenuto incorporando il materiale attivo. Il materiale attivo può anche contenere ulteriori additivi. Gli additivi possono essere additivi per il coordinamento dell’acqua, tra i quali è possibile citare la caseina.

In una forma di realizzazione preferita dell’invenzione, il materiale attivo comprende Fe3O4 e Fe2O3 come composti contenente ossigeno, agar agar, gomma xanthano e metilcellulosa come additivi addensanti e silicone come additivo plasticizzante, in cui la dimensione media delle particelle del composto contenente ossigeno hanno un diametro medio nell’intervallo da 10 nm a 40 µm.

In un altro aspetto, l’invenzione concerne un processo di preparazione del materiale attivo comprendente le seguenti fasi:

La fase a) del procedimento descritto nell'invenzione prevede la preparazione di una soluzione di un solvente scelto tra acqua, glicole etilenico, glicerina, dimetilcarbonato, etilencarbonato, dietilcarbonato, propilencarbonato, glicerina, dimetil solfossido e relative miscele, preferibilmente acqua, dell’almeno un composto contenente ossigeno scelto da Fe3O4 e Fe2O3, preferibilmente mediante agitazione durante l’aggiunta dei componenti. Più preferibilmente, l’aggiunta dei componenti, mantenendo l’agitazione, viene fatta in sequenza.

In un aspetto preferito del processo dell’invenzione, la soluzione della fase a) comprende un ulteriore composto contenente ossigeno selezionato da MgO, ZnO, ZrOCl2, ZrO2, SiO2, Bi2O3, Al2O3, TiO2 e relative miscele, detto ulteriore composto contenente ossigeno avendo un diametro medio nell’intervallo da 10 nm a 40 µm.

Nella fase b) la soluzione della fase a) viene riscaldata in un intervallo di temperatura da 75 a 90 °C. Dopo il riscaldamento, nella fase c) almeno un additivo addensante scelto dal gruppo consistente in agar agar, gomma xanthano, metilcellulosa e gomma arabica viene aggiunto. Ulteriori additivi possono essere aggiunti, ad esempio, la caseina. Nella forma di realizzazione preferita dell’invenzione, la fase c) prevede l’aggiunta di agar agar, gomma xanthano e metilcellulosa, in modo simultaneo. Dopo l’aggiunta dell’almeno un additivo addensante, viene ottenuta una soluzione omogenea, preferibilmente mediante agitazione.

Nella fase d) la soluzione omogenea della fase c) viene raffreddata ad una temperatura nell'intervallo da 30 a 15 °C, ottenendo così un materiale gelificato. Nella fase e) l’almeno un additivo plastificante, ad esempio silicone, silossani o cera di carnauba, viene aggiunto al materiale gelificato, preferibilmente mediante agitazione.

v) Scaldare la seconda soluzione della fase iv) fino ad una temperatura nell’intervallo da 90 a 120°C;

vi) Miscelare la prima soluzione omogenea della fase step i) a 45°C con la seconda soluzione della fase v), ottenendo così una ulteriore soluzione omogenea; vii) Raffreddare l’ulteriore soluzione omogenea della fase vi) fino ad una temperatura nell’intervallo da 30°C a 20°C e sottoporla a cicli di raffreddamento da temperatura ambiente a -18°C;

viii) Aggiungere almeno un additivo plasticizzante alla soluzione della fase vii), ottenendo una soluzione di materiale omogenea;

x) Rimuovere facoltativamente il solvente, ottenendo il materiale attivo,

In un aspetto preferito del processo dell’invenzione, la soluzione della fase i) comprende un ulteriore composto contenente ossigeno selezionato da MgO, ZnO, ZrOCl2, ZrO2, SiO2, Bi2O3, Al2O3, TiO2 e relative miscele, detto ulteriore composto contenente ossigeno avendo un diametro medio nell’intervallo da 10 nm a 40 µm. Le fasi iv), v) e vi) possono opzionalmente essere ripetute prima della fase di miscelazione (vii) preparando una terza o più soluzioni con l'aggiunta di un ulteriore additivo addensante scelto dal gruppo consistente in agar agar, gomma xanthano, metilcellulosa e gomma arabica.

Additivi opzionali quali la caseina possono essere aggiunti in qualunque soluzione precedentemente citata nel processo.

Il processo dell'invenzione permette di ottenere un materiale attivo avente una viscosità nell'intervallo da 5000 a 100000 centipoise, preferibilmente da 5000 a 40000 centipoise, più specificatamente da 10000 a 20000 centipoise, misurata con il viscosimetro rotatorio Viscotester VTR5 in rpm = 20 a T = 25°C.

In un altro aspetto, l'invenzione riguarda un generatore di energia elettrica (EPG) comprendente almeno due elettrodi, posti ad una distanza adeguata l'uno dall'altro. L' EPG comprende il materiale attivo ottenuto secondo l'invenzione tra gli almeno due elettrodi.

Il materiale attivo e/o l’almeno uno o ulteriore composto contenente ossigeno può essere posizionato su almeno un elettrodo secondo un qualsiasi metodo di applicazione noto allo stato della tecnica quali doctor blade, elettroforesi, spincoating, stampa inkjet, sol-gel, thermal spray, sputtering, plasma e qualunque deposizione chimica o fisica da fase vapore.

Gli elettrodi sono fatti di metallo, leghe e/o materiali a base carbonio quale grafite.

Lo spessore degli elettrodi varia preferibilmente da 0.1 a 3000 µm, più preferibilmente da 50 a 1000 µm, ancora più preferibilmente da 300 a 600 µm. In una forma di realizzazione preferita dell’EPG dell’invenzione, i due elettrodi sono fatti di Cu e Al, preferibilmente in forma di piastre o fogli sostanzialmente paralleli. In caso di EPG flessibile, sia materiali flessibili self-standing (tra i materiali elencati precedenti) che polimeri metallizzati possono essere considerati come elettrodi. In una forma di realizzazione preferita della EPG 1 schematicamente mostrato in Fig. 1, gli almeno due elettrodi sono con forma a piastra. Le due piastre 10 sono disposte in modo sostanzialmente parallelo tra loro, in modo da definire uno spazio che viene riempito con il materiale attivo 20 dell'invenzione secondo una "struttura a sandwich". La distanza delle piastre 10 dipende direttamente dallo spessore desiderato del materiale attivo da applicare.

La forma degli elettrodi non è vincolante. In una forma di realizzazione alternativa, ad esempio, l’EPG può comprendere due elettrodi cilindrici coassiali che definiscono uno spazio anulare riempito con il materiale attivo secondo l'invenzione. Secondo l’invenzione, l’EPG potrebbe comprendere più di due elettrodi, in cui due elettrodi adiacenti definiscono uno spazio riempito di materiale attivo.

Secondo una forma di realizzazione preferita, i due elettrodi sono realizzati in materiale diverso, preferibilmente Cu e Al. I due elettrodi sono preferibilmente sottoposti a processi di cleaning (sgrassatura e pulizia) ed etching prima di essere utilizzati per la realizzazione del generatore di energia elettrica dell'invenzione. Il materiale attivo è preferibilmente applicato sull'elettrodo, depositando il materiale attivo in spessore da 100nm a 5 mm. Per ora, i risultati migliori, con un carico applicato di 100 Ohm, sono stati osservati con uno spessore di 2 mm. D'altra parte, lo spessore ottimale varia a seconda dell'energia richiesta dal dispositivo.

Il materiale attivo può essere depositato sulla superficie dell'elettrodo con la tecnica doctor blade o simile. Una volta che l’EPG è assemblato con il materiale attivo compreso tra i due elettrodi, l’EPG è preferibilmente sottoposto ad una fase di riscaldamento, più preferibilmente a circa 80 °C, per ottenere una struttura a sandwich solida.

In un ulteriore aspetto, l'invenzione è relativa ad un modulo di generatore di potenza (PGM) che comprende una pluralità di EPG, che possono essere collegati in serie o in parallelo. A tale riguardo, la figura 1A mostra un circuito comprendente un PGM in cui i due EPG sono collegati in parallelo, mentre la figura 1B mostra un circuito comprendente un PGM avente due EPG collegati in serie. Entrambi i circuiti rappresentati nelle figure 1A e 1B comprendono una resistenza di carico (RL). La tensione rispetto alla PGM può essere monitorata collegando, ad esempio, un galvanostato in parallelo alla resistenza di carico RL.

In persino una ulteriore forma di realizzazione dell’invenzione, gli inventori ritengono che il materiale attivo proposto potrebbe essere ragionevolmente integrato nella miscela dei materiali attivi utilizzati per la fabbricazione dei condensatori comunemente utilizzati.

In un altro aspetto, l’invenzione quindi riguarda l’uso del materiale attivo per fabbricare condensatori.

A seguito delle proprietà mostrate dal materiale attivo dell’invenzione, in ancora un ulteriore aspetto l’invenzione riguarda l’uso del materiale attivo come materiale dielettrico.

Come sarà possibile evincere dalla seguente parte sperimentale, l’EPG della presente invenzione è in grado di generare corrente non appena esso è stato assemblato, dimostrandosi in tal modo un dispositivo diverso da un condensatore convenzionale. Inoltre e sorprendentemente, le prestazioni dell’EPG ottenuto dalla presente invenzione sono fortemente dipendenti dalla temperatura, cioè la differenza di potenziale aumenta all’aumentare della temperatura. In particolare, rispetto ai tradizionali generatori noti allo stato della tecnica, l'EPG ottenuto secondo l'invenzione non richiede un gradiente di temperatura. Infatti, il generatore di energia elettrica ottenuto secondo l'invenzione è in grado di convertire parte dell'energia termica in energia elettrica anche in condizioni isotermiche. Specificatamente e vantaggiosamente, la corrente misurata dal generatore di energia elettrica secondo l'invenzione aumentava di un fattore di 2-20, aumentando la temperatura da 20 a 80°C.

Inoltre, come sarà evidente nella parte sperimentale, tale EPG è capace di caricare un condensatore inserito in un particolare circuito elettrico. In particolare, quest’ultimo comprende un EPG secondo l’invenzione, un condensatore, un resistore e uno switch.

In una prima fase di switching, lo switch connette il condensatore in serie all’EPG in modo che il condensatore venga caricato fino al potenziale di equilibrio. Una volta che lo switch passa in una seconda fase, esso connette il condensatore in serie al resistore in modo da scaricare il condensatore. In quest’ultima condizione l’EPG è elettricamente isolato. Quando lo switch ritorna al suo stato iniziale, l’EPG è pronto per caricare nuovamente il condensatore per un successivo ciclo di carica/scarica. Vantaggiosamente, nel circuito elettrico precedentemente descritto, l’EPG può essere sostituito con un PGM.

L'invenzione verrà ora illustrata da alcuni esempi non limitativi di materiale attivo e del generatore di energia elettrica secondo l’invenzione.

Esempi

Esempio 1:

Preparazione del materiale attivo dell’invenzione

Al fine di preparare il materiale attivo, i seguenti componenti nelle rispettive quantità riportate in Tabella 1 sono stati usati. Le dimensioni delle particelle del composto contenente ossigeno Fe3O4 e Fe2O3 avevano un diametro medio nell’intervallo da 10 nm a 40 µm, preferibilmente nell’intervallo 1-10 µm, più preferibilmente da 2 a 5 µm come venduto da Sigma-Aldrich. La preparazione del materiale attivo è stata condotta utilizzando tutti gli intervalli di diametro particellare medio e seguendo la stessa procedura.

Tabella 1

In un Becker è stata versata acqua demineralizzata impostando l'agitazione tra 200 e 400 rpm a cui è successivamente stato aggiunto Fe3O4 e Fe2O3. L'agitatore utilizzato era " AREX 630W ", Welp SCIENTIFICA. La soluzione è stata quindi scaldata a una temperatura compresa nell’intervallo da 80 a 90°C. I componenti Agar Agar, gomma xanthano e metilcellulosa sono stati aggiunti simultaneamente, e l’agitazione è stata manualmente proseguita fino a che non è stata ottenuta una soluzione omogenea. Quest'ultima è stata poi lasciata raffreddare a temperatura ambiente nell’intervallo da 15 a 30°C, sotto agitazione manuale. Un materiale gelificato è stato quindi ottenuto. E’ stato quindi aggiunto silicone, ed il prodotto è stato agitato manualmente fino ad ottenere un materiale attivo omogeneo.

Senza essere legati ad alcuna teoria, gli inventori ritengono che il flusso di differenti specie gassose durante la procedura di miscelazione possa incrementare le performance finali dell’EPG ottenuto in termini di OCV, secondo la serie N2> Air (wet)>Air (dry)> O2 (dry)> CO2 (dry).

Esempio 2:

Preparazione del materiale attivo dell’invenzione

Al fine di preparare il materiale attivo, i seguenti componenti nelle rispettive quantità riportate in Tabella 2 sono stati usati. Le dimensioni delle particelle dei composti contenenti ossigeno (Fe3O4 e Fe2O3, MgO, ZnO, ZrO2) avevano un diametro medio nell’intervallo da 10 nm a 40 µm, preferibilmente nell’intervallo 1-10 µm, più preferibilmente da 2 a 5 µm come venduto da Sigma-Aldrich. La preparazione del materiale attivo è stata condotta utilizzando tutti gli intervalli più sopra di diametro particellare medio e seguendo la stessa procedura.

Tabella 2

In un Becker è stata versata acqua demineralizzata e l'agitazione è stata impostata tra 200 e 400 rpm. L'agitatore utilizzato era " AREX 630W ", Welp SCIENTIFICA. Nel becker sono stati aggiunti in sequenza Fe3O4 e Fe2O3, MgO , ZnO e ZrO2, attendendo 5 minuti dopo l'aggiunta di ciascun componente. È stata ottenuta una soluzione acquosa omogenea finale. La soluzione è stata quindi scaldata a una temperatura compresa nell’intervallo fra 80 e 90°C. I componenti Agar Agar, gomma xanthano e metilcellulosa sono stati aggiunti simultaneamente, e l’agitazione è stata manualmente proseguita fino a che non è stata ottenuta una soluzione omogenea. Quest'ultima è stata poi lasciata raffreddare a temperatura ambiente nell’intervallo da 15 a 30°C, sotto agitazione manuale. Un materiale gelificato è stata quindi ottenuto. E’ stato quindi aggiunto silicone, ed il prodotto è stato agitato manualmente fino ad ottenere un materiale attivo omogeneo.

Esempio 3:

Preparazione del materiale attivo dell’invenzione

Al fine di preparare il materiale attivo, i seguenti componenti nelle rispettive quantità riportate in Tabella 3 sono stati usati. Le dimensioni delle particelle dei composti contenenti ossigeno avevano un diametro medio nell’intervallo da 10 nm a 40 µm, preferibilmente nell’intervallo 1-10 µm, più preferibilmente da 2 a 5 µm come venduto da US Research Nanomaterials, Inc. La preparazione del materiale attivo è stata condotta utilizzando tutti gli intervalli più sopra di diametro particellare medio e seguendo la stessa procedura e aggiungendo i seguenti ingredienti indicati in tabella 3

In un Becker è stata versata acqua demineralizzata e l'agitazione è stata impostata tra 200 e 400 rpm e l’ossido di ferro è stato aggiunto. L'agitatore utilizzato era " AREX 630W “, Welp SCIENTIFICA. Nel becker sono stati aggiunti Fe3O4 e Fe2O3. È stata ottenuta una soluzione acquosa omogenea finale. La soluzione è stata quindi scaldata a una temperatura compresa nell’intervallo fra 80 e 90°C.

I componenti Agar Agar, gomma xanthano e metilcellulosa sono stati aggiunti simultaneamente, e l’agitazione è stata manualmente proseguita fino a che non è stata ottenuta una soluzione omogenea. Quest'ultima è stata poi lasciata raffreddare a temperatura ambiente nell’intervallo da 15 a 30°C, sotto agitazione manuale. Un materiale gelificato è stato quindi ottenuto. E’ stato quindi aggiunto silicone, ed il prodotto è stato agitato manualmente fino ad ottenere un materiale attivo omogeneo.

Esempio 4:

Preparazione del materiale attivo dell’invenzione

Al fine di preparare il materiale attivo, i seguenti componenti nelle rispettive quantità riportate in Tabella 4 sono stati usati. Le dimensioni delle particelle dei composti contenenti ossigeno avevano un diametro medio nell’intervallo da 10 a 200 nm, preferibilmente nel range 15-100 nm, più specificatamente da 20 a 40 nm come venduto da US Research Nanomaterials, Inc. La preparazione del materiale attivo è stata condotta utilizzando tutti gli intervalli più sopra di diametro particellare medio e seguendo la stessa procedura.

Tabella 4

In un Becker è stata versata acqua demineralizzata e l'agitazione è stata impostata tra 200 e 400 rpm. L'agitatore utilizzato era " AREX 630W “, Welp SCIENTIFICA. Nel becker sono stati aggiunti Fe3O4 e Fe2O3, MgO , ZnO e ZrO2. È stata ottenuta una soluzione acquosa omogenea finale. La soluzione è stata quindi scaldata a una temperatura compresa nell’intervallo fra 80 e 90°C. I componenti Agar Agar, gomma xanthano e metilcellulosa sono stati aggiunti simultaneamente, e l’agitazione è stata manualmente proseguita fino a che non è stata ottenuta una soluzione omogenea. Quest'ultima è stata poi lasciata raffreddare a temperatura ambiente nell’intervallo da 15 a 30°C, sotto agitazione manuale. Un materiale gelificato è stata quindi ottenuto. E’ stato quindi aggiunto silicone, ed il prodotto è stato agitato manualmente fino ad ottenere un materiale attivo omogeneo.

Esempio 5:

Preparazione del materiale attivo dell’invenzione e preparazione del generatore di potenza elettrica (EPG)

Al fine di preparare il materiale attivo, i seguenti componenti nelle rispettive quantità riportate in Tabella 5 sono stati usati.

Le dimensioni delle particelle del composto contenente ossigeno Fe3O4 e Fe2O3 avevano un diametro medio compreso nell’intervallo da 10 nm a 40 µm, preferibilmente nel range 1-10 µm, più specificatamente da 2 a 5 µm come venduto da Sigma-Aldrich. La preparazione del materiale attivo è stata condotta utilizzando tutti gli intervalli dimensionali precedentemente descritti e seguendo la stessa procedura.

Tabella 5

In basso è riportata una descrizione dettagliata della procedura operativa, tenendo conto delle quantità intermedie di ciascun componente chimico mostrato in tabella 2.

La soluzione 1 è stata preparata con I componenti mostrati in tabella 6.

Tabella 6: ingredienti della soluzione 1

Fe3O4 e Fe2O3 e caseina riportati in tabella 6 sono stati miscelati a temperature ambiente fino ad ottenere una distribuzione omogenea delle due sostanze allo stato solido. Dopo questo step, l’acqua demineralizzata è stata aggiunta alla soluzione successivamente scaldata fino a 100°C in un intervallo di tempo compreso tra 20 e 40 minuti. La soluzione è stata opportunamente miscelata durante la procedura al fine di garantire una completa e appropriata omogeneizzazione. Raggiunta la temperatura di 100°C, la soluzione è mantenuta a questa temperatura per 5-10 minuti. La soluzione è stata gradualmente raffreddata a 40°C.

Una soluzione nominata soluzione 2 è stata preparata con i componenti mostrati in tabella 7.

Tabella 7: ingredienti della soluzione 2

La soluzione 2 è stata riscaldata fino a 120°C, temperatura a cui la gomma Arabica risultava completamente disciolta. Dopo questo step, la soluzione è stata fatta raffreddare fino alla temperatura di 90°C al fine di aggiungere l’agar agar. La soluzione 2b i cui ingredienti sono riportati in tabella 8 è stata così ottenuta.

Tabella 8: ingredienti della soluzione 2b

Agar Agar 100

La soluzione 1 a 40°C è stata miscelata con la soluzione 2b a 90°C, ottenendo così la soluzione 3 (i cui componenti sono mostrati in tabella 9).

Tabella 9: ingredienti della soluzione 3

ingrediente Temperatura [°C]

Soluzione 1 40

Soluzione 2b 90

La soluzione 3 è stata miscelata al fine di amalgamare in modo appropriato le due soluzioni. La miscela è stata mantenuta a 45°C al fine di evitare fenomeni di gelificazione.

Alla soluzione 3 sono stati aggiunti metilcellulosa e gomma xanthano, ottenendo così la soluzione 4 riportata in tabella 10:

Tabella 10: ingredienti della soluzione 4

ingrediente Quantità [g]

Fe3O4e Fe2O3150

Caseina 150

Acqua demineralizzata 2000

Gomma Arabica 50

Agar Agar 100

Metilcellulosa 30

Gomma Xanthano 20

La soluzione 4 così ottenuta è stata miscelata per 15 min. Dopo questo step, la soluzione 4 è stata lasciata raffreddare fino a temperatura ambiente per un periodo di tempo minimo di 4 ore, rimuovendo qualunque tipo di agitazione.

Non appena la temperatura di 25°C è stata raggiunta, la soluzione 4 è stata sottoposta a cicli di raffreddamento che partono da temperature ambiente fino a -18°C. Raggiunta questa temperatura, la soluzione 4 è stata stabilizzata e mantenuta a 4°C. A questo punto la soluzione 4 è stata pesata ed una quantità di silicone pari al 50% del suo peso è stata aggiunta, e l’agitazione manuale è stata effettuata al fine di ottenere una distribuzione omogenea del plasticizzante. La soluzione 5 riportata in tabella 10b è stata così ottenuta.

Tabella 10b: Ingredienti della soluzione 5

La soluzione 5 è stata utilizzata direttamente per preparare il generatore di potenza elettrico.

In un becher contenente la soluzione 5 (Tabella 10b), due piastre di alluminio (10 cm x 10 cm) sono state immerse, ad una distanza di 1 cm l’una rispetto all’altra. Le piastre sono state collegate ad un generatore di energia 150W che fornisce 30V. Il potenziale applicato è stato mantenuto finché la corrente raggiunge un valore inferiore al 30% del valore iniziale (5A per un caso ideale), dopodiché il generatore è stato spento. Questa procedura consentiva di ottenere uno strato uniforme ed omogeneo del materiale attivo sulla piastra di alluminio collegata al polo positivo. Questa piastra è stata raffreddata poi fino a -18°C per 1 ora e successivamente mantenuta a 4°C per 1 ora.

Per rimuovere l'acqua residua, la piastra è stata scaldata in forno a 80°C. Dopo questa fase, l’EPG è stato assemblato aggiungendo alla piastra di alluminio, trattata come sopra descritto, la piastra di rame. Mantenendo l’EPG a temperatura ambiente, una piccola pressione è stata esercitata su di esso per favorire l'adesione tra ciascuna piastra e il materiale attivo.

La stessa procedura di preparazione è stata condotta utilizzando polveri di ossido con dimensioni nanometriche nell’intervallo compreso tra 10 e 200 nm, preferibilmente tra 15 e 100 nm, ancora più preferibilmente tra 20 e 40 nm come venduti da US Nanomaterials, Inc.

Senza essere legati ad alcuna teoria, gli inventori ritengono che il flusso di differenti specie gassose durante la procedura di miscelazione possa incrementare le performance finali dell’EPG in termini di OCV, secondo la serie N2> Air (wet)>Air (dry)> O2 (dry)> CO2 (dry).

Esempio 6:

Al fine di preparare il materiale attivo secco, i seguenti componenti nelle rispettive quantità riportati nella tabella 11 più sotto sono stati utilizzati.

Le polveri di Fe3O4 e Fe2O3 avevano un diametro medio compreso nell’intervallo da 10 nm a 40 µm, preferibilmente nel range 1-10 µm, più preferibilmente da 2 a 5 µm come venduto da Sigma-Aldrich. La preparazione del materiale attivo è stata condotta utilizzando tutti gli intervalli dei diametri particellari medi e seguendo la stessa procedura.

Tabella 11: Ingredienti dell’esempio 6

In basso è riportata la descrizione dettagliata della procedura operativa, tenendo conto delle quantità intermedie di ciascun componente chimico mostrato in tabella. La soluzione 1 è stata preparata con gli ingredienti riportati in Tabella 12

Tabella 12: Ingredienti della soluzione 1

Fe3O4 e Fe2O3 e caseina sono stati miscelati a temperature ambiente fino ad ottenere una distribuzione omogenea delle due sostanze allo stato solido. Acqua demineralizzata è stata aggiunta alla soluzione successivamente scaldata fino a 100°C in un intervallo di tempo compreso tra 20 e 40 minuti. La soluzione è stata opportunamente miscelata durante la procedura al fine di garantire una appropriata e completa omogeneizzazione. Raggiunta la temperatura di 100°C, la soluzione è mantenuta a questa temperatura per 5-10 minuti. La soluzione è stata gradualmente raffreddata a 40°C.

E’ stata preparata la Soluzione 2 con gli ingredienti riportati in tabella 13.

Tabella 13: Ingredienti della soluzione 2

La soluzione 2 è stata riscaldata fino a 120°C, temperatura a cui la gomma Arabica risultava completamente disciolta. Dopo questo step, la soluzione è stata fatta raffreddare fino alla temperatura di 90°C al fine di aggiungere l’agar agar. La soluzione 2b i cui componenti sono riportati in tabella 14 è così ottenuta.

Tabella 14: Ingredienti della soluzione 2b

La soluzione 1 a 40°C è stata miscelata con la soluzione 2b a 90°C, ottenendo così la soluzione 3 (come riportato in tabella 15).

Tabella 15: Ingredientii della soluzione 3

Alla soluzione 3 sono stati aggiunti metilcellulosa e gomma xanthano, ottenendo così la soluzione 4:

Tabella 16: Ingredieni della soluzione 4

La soluzione 4 (come riportato in tabella 16) è stata miscelata per 15 min. Dopo questo step, la soluzione 4 è stata lasciata raffreddare fino a temperatura ambiente per un periodo di tempo minimo di 4 ore, rimuovendo qualunque tipo di agitazione. Non appena la temperatura di 25°C è raggiunta, la soluzione 4 è stata sottoposta a cicli di raffreddamento che partono da temperature ambiente fino a -18°C. Raggiunta questa temperatura, la soluzione 4 è stabilizzata e mantenuta a 4°C. Dopo questo passaggio, la soluzione 4 è stata mantenuta a temperatura ambiente per 24 ore.

Una quantità di cera di carnauba pari al 25% in peso rispetto al peso della soluzione 4 è stata aggiunta a temperatura ambiente alla soluzione 4 per ottenere la soluzione 5 (tabella 17).

Tabella 17: Ingredienti della soluzione 5

La soluzione 5 (Tabella 17) è stata riscaldata fino a 78°C fornendo sia agitazione sia applicazione ultrasuoni. Una volta ottenuta una soluzione omogenea, la soluzione 6 è stata versata sulla placca di alluminio riscaldata anch’essa a 78°C. Dopo questa fase, al fine di rimuovere l'acqua residua, la piastra di alluminio è stata immersa in un becher contenente dimetilsolfossido (DMSO).

Mantenendo la temperatura costante a 78°C, l’EPG stato assemblato mettendo a contatto la piastra di rame con il materiale attivo.

In questa fase, una differenza di potenziale di 30V è stata applicata all’ EPG per diversi intervalli di tempo in funzione della temperatura:

• 5 minuti per T=78°C

• 5 minuti per T=70°C

• 10 minuti per T=60°C

• 10 minuti per T=50°C

• 10 minuti perT= 40°C

• 30 minuti per T= 30°C

• 10 minuti per T= 25°C

• 30 minuti per T= -18°C

La stessa procedura di preparazione è stata condotta utilizzando polveri di ossido con dimensioni nanometriche nell’intervallo da 10 a 200 nm, preferibilmente da 15 a 100 nm, più preferibilmente da 20 a 40 nm come venduti da US Nanomaterials, Inc. La preparazione del materiale attivo è stata condotta utilizzando tutti gli intervalli dei diametri particellari medi e seguendo la stessa procedura.

Senza essere legati ad alcuna teoria, gli inventori ritengono che il flusso differenti specie gassose durante la procedura di miscelazione potrebbe incrementare le performance finali dell’EPG in termini di OCV, secondo la serie N2> Air (wet)>Air (dry)> O2 (dry)> CO2 (dry).

Esempio 7:

Montaggio di un generatore elettrico di potenza avente due elettrodi.

Due elettrodi quadrati, realizzati rispettivamente in Cu e Al e aventi la stessa superficie (circa 4.5 cm<2>) sono stati puliti e etchati per essere utilizzati nella realizzazione del generatore di energia elettrica. Il materiale attivo ottenuto dalla dell'esempio 1, impiegando le polveri di ossidi con diametro medio di 2-5 è stato poi depositato sulla superficie dell'elettrodo Cu con la tecnica doctor blade. Lo spessore del materiale attivo depositato era di circa 2 mm e l'elettrodo di Al è stato posto sulla parte superiore del materiale attivo depositato in modo parallelo rispetto all'elettrodo di Cu. I due elettrodi sono stati pressati insieme assicurando un contatto uniforme del materiale attivo con la propria superficie. Il prodotto così ottenuto è stato cotto per 20 minuti a 80°C per asciugare il materiale attivo, ottenendo un generatore di potenza elettrica allo stato solido. Il generatore secondo l'invenzione così ottenuto è stato mantenuto ad una temperatura compresa tra 15 a 18°C per un periodo di 12-24 ore prima del test.

Il processo di cottura è stato condotto al fine di eliminare l’eccesso d’acqua garantendo però che essa fosse sempre presente come acqua coordinata, in una percentuale di almeno 1% rispetto alla massa totale del materiale attivo.

Esempio 8:

Caratterizzazione elettrica del generatore di potenza elettrico

L’EPG dell’esempio 7 è stato elettricamente caratterizzato utilizzando un AMEL2553 potentiostato/galvanostato. Il circuito elettrico è riportato in figura 2. Il circuito elettrico è riportato in Figura 2.

Dalla figura 2, si nota che l’EPG è un generatore, che fornisce corrente, accoppiato con la sua resistenza interna (Ri). Quest'ultima è normalmente definita come il rapporto tra il potenziale di circuito aperto e la corrente di cortocircuito. La resistenza di carico (RL) è stata collegata in serie al generatore di potenza elettrico dell’esempio 7. La tensione è stata monitorata collegando il galvanostato in parallelo alla resistenza di carico. La resistenza della sorgente (Ri) è fortemente dipendente dai componenti del materiale attivo. La resistenza interna è stata misurata seguendo la "procedura di partitore di tensione": diverse resistenze di carico sono state applicate all’EPG fino a raggiungere dopo alcuni minuti un valore di tensione pari alla metà della tensione di circuito aperto. In questo modo viene creato un "partitore di tensione" quando due resistenze di uguale valore, ossia quella interna (Ri) e la resistenza di carico (RL), sono connesse in serie. Seguendo dunque questa procedura, si è stimato il valore della resistenza interna (Ri) che risulta essere compresa tra 1 e 20 KOhm. La resistenza misurata ai capi degli elettrodi REPG risultava avere un valore medio pari a 1.2-1.6 M. Da tale esperimento il materiale attivo risultava presentare una bassa conducibilità. Il generatore di potenza elettrico è stato caratterizzato eseguendo un’analisi potenziometrica condotta impostando una corrente pari a zero (potenziale a circuito aperto). Al contrario, una volta chiuso il circuito la corrente fluiva attraverso la resistenza di carico (RL). La corrente è stata misurata dividendo il valore della tensione misurata per RL = 100 .

Esempio 9:

Caratterizzazione elettrica del generatore elettrico di potenza.

Lo schema del circuito riportato in Figura 2 comprendente il generatore di energia elettrica dell'esempio 7, è stato testato a temperatura ambiente (18-20°C). La prova consisteva nella misura del potenziale a circuito aperto per di 5 minuti. E’ stata ottenuta la curva riportata in figura 4. La Figura 4 è una curva caratteristica, tipica della condizione di “circuito aperto”. Il voltaggio era costante e il valore medio del potenziale a circuito aperto (OCV) misurato per l’EPG fabbricato secondo l’Esempio 7 era 0.508 V. In questo test, nessuna misura di corrente è stata effettuata (potenziale a circuito aperto).

Esempio 10:

Caratterizzazione termica del generatore di potenza elettrica.

Lo schema di circuito riportato in Figura 2 comprendente il generatore elettrico di potenza dell’Esempio 7 è stato testato al fine di caratterizzarne la dipendenza dalla temperatura (20-50°C). Il test consisteva nello scaldare l’EPG per mezzo di uno scaldatore. La temperatura veniva monitorata per mezzo di una telecamera termografica (FLIR serie Exx). Il generatore di potenza elettrica è stato riscaldato fino a 50 °C dopo averlo lasciato per 400 s a 20°C in condizioni di circuito aperto. Dopo 400 s, la temperatura è stata innalzata fino a 50°C e mantenuta costante mentre la misura di tensione s circuito aperto procedeva. E’ stata ottenuta la curva riportata in Figura 5.

La Figura 5 mostra l’effetto della temperatura sul potenziale a circuito aperto: aumentando la temperatura da 20°C a 50°C, il valore del voltaggio aumenta da 0.518 V a 20°C fino a 0.832 V a 50°C, raggiungendo un plateau. Inoltre, scaldando l’EPG a temperature persino più alte, i valori di voltaggio ottenibili possono ulteriormente aumentare.

Esempio 11:

Caratterizzazione termica del generatore di potenza elettrica.

Lo schema di circuito riportato in Figura 3 comprendente il generatore elettrico di potenza dell’Esempio 7 è stato testato al fine di caratterizzarne la dipendenza dalla temperatura (20-50°C). Il test consisteva nello scaldare l’EPG per mezzo di uno scaldatore. La temperatura è stata monitorata per mezzo di una telecamera termografica (FLIR serie Exx). Il generatore elettrico di potenza è stato connesso a una resistenza di carico pari a 100 a 20°C e mantenuto in queste condizioni per cinque minuti. Al termine dei 5 minuti, L’EPG connesso ad una resistenza di carico pari a 100 è stato scaldato a 50 °C e questa temperatura è stata mantenuta costante per 300 s. La curva riportata in Figura 6 è stata ottenuta. La corrente fornita dall’EPG è stata calcolata dividendo il valore di voltaggio per il valore di carico (RL). Dopo 300 s a 20°C sotto carico, l’EPG era stabile a circa 8.7 mV corrispondenti a 0.087 mA, a T= 50°C il valore del voltaggio aumentava a circa 68 mV corrispondenti a circa 0.68 mA. Inoltre, scaldando l’EPG a temperature più alte, i valori di corrente ottenibili potevano ulteriormente aumentare.

Esempio 12

Un modulo di generatori di potenza (PGM) può essere ottenuto assemblando multipli EPG dell’esempio 7 in differenti combinazioni. Come esempio, due EPG ottenuti secondo l’Esempio 7 sono stati connessi in serie e misurati impiegando un potenziostato/galvanostato AMEL 2553 per mezzo di misure di potenziale a circuito aperto secondo la Figura 2, a temperatura ambiente. I risultati in Figura 7 mostrano che il valore medio del potenziale a circuito aperto per i due EPG è pari a 1.148 V. Differenti configurazioni possono essere utilizzate. Nella prima configurazione, gli EPG sono disposti l’uno accanto all’altro; gli elettrodi dei differenti EPG non sono fisicamente in contatto tra loro ma sono elettricamente connessi tramite fili di rame. Nella seconda configurazione, gli EPG sono impilati l’uno sopra l’altro, preferibilmente mantenendo i fili di connessione, e preferibilmente ponendo in contatto la superficie del rame con quello dell’alluminio di EPG adiacenti.

Esempio 13:

La dimensione delle particelle dei composti a base di ossigeno (Fe3O4 e Fe2O3, MgO, ZnO ,ZrO2 ) influenza fortemente le prestazioni complessive dell’ EPG . Infatti, a parità di volume di materiale attivo, più piccola è la dimensione delle particelle maggiore sarà la superficie attiva per un dato volume di materiale. L'effetto della dimensione delle particelle è stato studiato comparando le prestazione degli EPG per particelle contenenti ossigeno micrometriche e nanometriche come ottenuti secondo la formulazione secondo l’Esempio 1 e l’Esempio 3 e seguendo la procedura dell’Esempio 7. L’area degli elettrodi dell’EPG era di 4.5 cm<2>. A questo scopo, gli EPG sono stati testati con un AMEL 2553 potenziostato / galvanostato secondo la figura 2C. La prova consisteva nell'applicare una corrente di scarica di 2.5 A; gli EPG sono stati scaricati dalla tensione nominale fino a 0,2 V, processo di scarica successivamente seguito da 45 minuti di riposo in cui I = 0 A, al fine di valutare il recupero.

L'uso di nano-particelle prolunga la durata relativa dell’EPG più del 200% rispetto alla formulazione micrometrica. Inoltre, una tensione OCV più alta è stata osservata. Esempio 14:

In un’altra forma di realizzazione dell’invenzione, è stato dimostrato che l’ EPG è in grado di fornire corrente caricando un condensatore C inserito in un opportuno circuito. Come mostrato in Figura 2 A l’EPG è connesso in serie con un condensatore C avente un voltaggio iniziale Vi= 0 V. una “cella” può essere un EPG (come rappresentato in Figura 2) o può essere un PGM, vale a dire una pluralità di EPG connessi in serie come descritto nelle Figure 2A e 2B. La cella è connessa in serie al condensatore C tramite uno switch SW in un primo stato di switching. Durante la fase di carica (Figura 2A), l’EPG carica il condensatore fino a un potenziale di equilibrio. Una volta che il condensatore è carico, lo switch è attivato (secondo stato di switching) per connettere il condensatore a un resistore in modo da scaricarlo (fase di scarica o fase di riposo); la cella in questa fase risulta elettricamente isolata (Figura 2B). Con il termine “resistore” si intende genericamente un resistore elettrico, un diodo, una combinazione dei due o qualunque componente elettrico in grado di scaricare il condensatore C quando lo switch è nel cosiddetto secondo stato di switching.

L’energia immagazzinata nel condensatore è calcolata secondo la capacità caratteristica e il voltaggio caricato, misurato per mezzo di un multimetro; un condensatore ceramico è stato utilizzato in questo apparato. In uno dei test condotti, uno switch temporizzato è stato utilizzato per alternare la carica del condensatore C e la fase di riposo in cui la cella è elettricamente isolata, in questa fase avviene il recupero del voltaggio della cella. Durante la fase di riposto (configurazione B) il condensatore è connesso in serie con un arbitrario resistore (RL) con il solo scopo di scaricarlo completamente prima di cominciare il prossimo ciclo di carica, la curva di scarica del condensatore C è monitorata con un multimetro.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Un materiale attivo comprendente almeno un composto contenente ossigeno scelto da Fe3O4 e Fe2O3, almeno un additivo addensante selezionato dal gruppo consistente in agar agar, gomma xanthano, metilcellulosa, e gomma arabica, e almeno un additivo plasticizzante, in cui la dimensione particellare dell’almeno un composto di ossigeno ha un diametro medio nell’intervallo da 10 nm a 40 nm.
2. Il materiale attivo della rivendicazione 1 in cui il materiale attivo comprende un ulteriore composto contenente ossigeno selezionato tra MgO, ZnO, ZrOCl2, ZrO2, SiO2, Bi2O3, Al2O3, TiO2 e relative miscele, detto ulteriore composto contenente ossigeno avendo un diametro medio nell’intervallo da 10 nm a 40 µm.
3. Il materiale attivo della rivendicazione 1 o rivendicazione 2, in cui l’almeno un composto contenente ossigeno e l’ulteriore composto contente ossigeno hanno un diametro medio delle particelle nell’intervallo di 15 nm-10 µm, preferibilmente 20 nm- 5 µm.
4. Il materiale attivo della rivendicazione 3, in cui l’almeno un composto contenente ossigeno e l’ulteriore composto contente ossigeno hanno un diametro medio delle particelle nell’intervallo da 10 a 200 nm, preferibilmente nell’intervallo di15-100 nm, ancora più preferibilmente 20-40 nm.
5. Il materiale attivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-4, in cui il materiale attivo comprende Fe3O4 e Fe2O3, nell’intervallo da 3% a 17% in peso, preferibilmente 10% rispetto al peso totale del materiale attivo.
6. Il materiale attivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-5, in cui l’ulteriore composto contenente ossigeno è MgO, ZnO, ZrO2 o una miscela degli stessi.
7. Il materiale attivo della rivendicazione 6, in cui l’ulteriore composto contenente ossigeno è nell’intervallo da 0.7% a 10%, preferibilmente 3.7% rispetto al peso totale del materiale attivo.
8. Il materiale attivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-7, in cui l’almeno un additivo addensante è selezionato dal gruppo consistente in agar agar, gomma xanthano, metilcellulosa.
9. Il materiale attivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni1-8, in cui l’almeno un additivo addensante è nell’intervallo da 0.19% a 6.5%, preferibilmente 0.84% rispetto al peso totale di materiale attivo.
10. Il materiale attivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni1-9, in cui l’almeno un additivo plasticizzante è selezionato dal gruppo consistente in silicone, silossani, cera di carnauba, Naftalene, PVDF, parilene, PTFE, FEP, PDMS, PVA, sospensioni polimeriche latex e biopolimeri.
11. Il materiale attivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-10, in cui il materiale attivo comprende silicone in una quantità nell’intervallo da 5% a 80%, preferibilmente 12.5% e 70%, più preferibilmente 40% rispetto al peso totale del materiale attivo.
12. Il materiale attivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-4, in cui esso comprende Fe3O4 e Fe2O3, MgO, ZnO, ZrO2, agar agar, gomma xanthano, metilcellulosa e silicone.
13. Un processo per la preparazione del materiale attivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-12 comprendente le seguenti fasi: a) Preparare una soluzione di almeno un composto contenente ossigeno scelto da Fe3O4 e Fe2O3 con un solvente scelto dal gruppo consistente in acqua, etilen glicole, dimetilcarbonato, etilencarbonato, dietilcarbonato, propilencarbonato, glicerina, dimetil solfossido e relative miscele; b) Scaldare la soluzione della fase a) in un intervallo di temperatura da75 a 90°C; c) Aggiungere almeno un additivo addensante scelto dal gruppo consistente di agar agar, gomma xanthano, metilcellulosa e gomma arabica, ottenendo così una soluzione omogenea; d) Raffreddare la soluzione omogenea della fase c) fino ad una temperatura nell’intervallo da 30°C a 15°C, così ottenendo un materiale gelificato; e) Aggiungere almeno un additivo plasticizzante al materiale gelificato ottenendo così il materiale attivo, in cui la dimensione delle particelle dell’almeno un composto contenente ossigeno ha un diametro medio da 10 nm a 40 µm.
14. Un processo per la preparazione del materiale attivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-12 comprendente le seguenti fasi: i) Preparare una prima soluzione di almeno un composto contenente ossigeno scelto da Fe3O4 e Fe2O3 con un solvente scelto dal gruppo consistente in acqua, etilen glicole, dimetilcarbonato, etilencarbonato, dietilcarbonato, propilencarbonato, glicerina, dimetil solfossido e relative miscele; ii) Scaldare la prima soluzione della fase i) ad un a temperatura nell’intervallo da 90 a 110°C; iii) Raffreddare la soluzione omogenea della fase ii) fino ad una temperatura nell’intervallo da 50°C a 30°C; iv) Preparare una seconda soluzione con un solvente selezionato dal gruppo consistente in acqua, etilen glicole, dimetilcarbonato, etilencarbonato, dietilcarbonato, propilencarbonato, glicerina, dimetil solfossido e relative miscele con almeno un additivo addensante selezionato dal gruppo consistente di agar agar, gomma xanthano, metilcellulosa e gomma arabica; v) Scaldare la seconda soluzione della fase iv) fino ad una temperatura nell’intervallo da 90 a 120°C; vi) Miscelare la prima soluzione omogenea della fase step i) a 45°C con la seconda soluzione della fase v), ottenendo così una ulteriore soluzione omogenea; vii) Raffreddare l’ulteriore soluzione omogenea della fase vi) fino ad una temperatura nell’intervallo da 30 °C a 20°C e sottoporla a cicli di raffreddamento da temperatura ambiente a -18°C; viii) Aggiungere almeno un additivo plasticizzante alla soluzione della fase vii), ottenendo una soluzione di materiale omogenea; ix) Rimuovere facoltativamente il solvente, ottenendo il materiale attivo, in cui la dimensione delle particelle dell’almeno un composto contenente ossigeno ha un diametro medio nell’intervallo da 10 nm a 40µm.
15. Il processo secondo rivendicazione 13 o la rivendicazione 14, in cui la soluzione della fase a) o la prima soluzione della fase i) comprende un ulteriore composto contenente ossigeno selezionato da MgO, ZnO, ZrOCl2, ZrO2, SiO2, Bi2O3, Al2O3, TiO2 e relative miscele, detto composto contenente ossigeno avendo un diametro medio nell’intervallo da 10 nm a 40 µm.
16. Un generatore di potenza elettrica (EPG) comprendente almeno un primo elettrodo (11) ed un secondo elettrodo (12), in cui il generatore di potenza elettrica comprende un materiale attivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-12 tra detti elettrodi (11,12)
17. Il generatore di potenza elettrica (EPG) secondo rivendicazione 16, in cui detti elettrodi sono fatti di materiali differenti.
18. Il generatore di potenza elettrica (EPG) secondo rivendicazione 16, in cui detti elettrodi sono fatti dello stesso materiale.
19. Il generatore di potenza elettrica (EPG) secondo rivendicazione 17, in cui detto primo elettrodo (11) è fatto di rame e in cui detto secondo elettrodo è fatto di alluminio.
20. Il generatore di potenza elettrica (EPG) secondo rivendicazione 18, in cui detti elettrodi sono fatti di rame.
21. Il generatore di potenza elettrica secondo rivendicazione 16, in cui detti elettrodi sono fatti di un materiale selezionato dal gruppo consistente in metalli, leghe e materiali carboniosi.
22. Un modulo di generazione di potenza (PGM) caratterizzato dal fatto che comprende una pluralità di generatori di corrente elettrica (EPGs) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 16-21, in cui detti generatori sono connessi in serie o in parallelo.
23. Un modulo di potenza elettrica (PGM) secondo rivendicazione 22 in cui quando gli EPG sono connessi in serie, gli elettrodi dei differenti EPGs sono elettricamente connessi attraverso un filo conduttivo.
24. Un modulo di generatore di potenza (PGM) secondo la rivendicazione 22, in cui quando gli EPG sono connessi in serie, gli EPG sono impilati in modo tale che la superficie di un elettrodo di un primo EPG è in contatto con la superficie di un secondo EPG.
25. Un uso del materiale attivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-12 per la fabbricazione di condensatori.
26. Un uso del materiale attivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-12 come materiale dielettrico.
27. Un circuito elettrico (EC) comprendente un EPG secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 16 a 21, in cui detto circuito (EC) comprende anche, un condensatore (C), un resistore (RL) e uno switch (SW) e in cui: - in un primo stato di switching, detto switch (SW) connette il detto condensatore (C) in serie a detto EPG; e -in un secondo stato di switching, detto switch (SW) connette detto condensatore (C) in serie con detto resistore (RL).
28. Un circuito elettrico (EC) comprendente un PGM secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 22-24, in cui detto circuito (EC) comprende anche, un condensatore (C), un resistore (RL) e uno switch (SW) in cui: - in un primo stato di switching, detto switch (SW) connette detto condensatore (C) in serie a detto PGM; e - in un secondo stato di switching, detto switch (SW) connette detto condensatore (C) in serie con detto resistore (RL).