IT201800005943A1 - Dispositivo elettrochimico a commutazione automatica per l’accumulo ad alta energia e ad alta potenza - Google Patents

Dispositivo elettrochimico a commutazione automatica per l’accumulo ad alta energia e ad alta potenza Download PDF

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Description

“Dispositivo elettrochimico a commutazione automatica per l’accumulo ad alta energia e ad alta potenza”
“High power and high energy self-switching electrochemical storage device”
DESCRIZIONE
CAMPO TECNICO
La presente invenzione si riferisce al settore energetico e, in particolare, ai sistemi avanzati di accumulo ed erogazione di energia e potenza.
Specificamente, la presente invenzione riguarda dispositivi ibridi in grado di autogestire condizioni ad alta energia e ad alta potenza.
I campi di applicazione preferiti della presente invenzione sono quelli in cui si impiega un’alimentazione elettrica come quello automobilistico (e.g. veicoli elettrici ed ibridi), quello delle energie rinnovabili nonché l’elettronica di potenza e di consumo, e simili. STATO DELL'ARTE
Le tecnologie tradizionali di accumulo dell’energia sono sostanzialmente suddivise tra sistemi in grado di accumulare ed erogare grandi quantità di energia a bassa potenza e sistemi in grado di accumulare ed erogare grandi quantità di potenza.
Attualmente lo sviluppo si sta concentrando sulle tecnologie di accumulo cosiddette “Post Litio-Ione”. Tra queste, vi sono sistemi in grado di accumulare ed erogare grandi quantità di energia a bassa potenza quali le batterie Litio-Zolfo.
Esempi di queste batterie Litio-Zolfo sono descritti nei documenti brevettuali US 7,250,233 B2, US 8,188,716 B2 e US 9,768,466 B2.
Queste batterie Litio-Zolfo presentano svantaggi dovuti alla migrazione ed alla solubilità di polisolfuri; è stato infatti dimostrato che, nelle batterie Litio-Zolfo, lo Zolfo si sposta verso la superficie del catodo durante i cicli di carica e scarica, riducendo così la quantità di zolfo elementare presente all’interno del catodo stesso. Durante la scarica, lo zolfo, riducendosi, forma specie anioniche solubili, detti polisolfuri. Infine precipita sulla superficie dell’elettrodo come solfuro di litio. Questi processi di solubilizzazione e riprecipitazione provocano lo spostamento della materia attiva verso al superficie.
Le tecnologie “post Litio-ione” permettono di accumulare elevate densità di energia, ma a bassa potenza; per risolvere questa limitazione, sono al momento oggetto di studio due tipologie di soluzione.
La prima tipologia consiste nell’accoppiamento di una batteria di energia con una batteria di potenza, o con un supercapacitore; questa soluzione, principalmente adottata dalle aziende automobilistiche, prevede che l’accoppiamento sia realizzato utilizzando dei sistemi elettronici esterni che connettono i due sistemi di accumulo. Esempi di questa prima tipologia sono descritti nei documenti brevettuali US 2009/0273236 A1 e US 2010/0001581 A1.
Questa prima tipologia di soluzione risulta piuttosto complicata, pesante ed ingombrante; inoltre, il sistema non è autonomo nel senso che la gestione ad alta energia o ad alta potenza sono regolate esternamente dal sistema elettronico di controllo.
La seconda tipologia consiste in un sistema ibrido, anche denominato “supercabattery” oppure “supercapattery”, in cui si tenta di connettere in modo diretto la batteria di energia ed il supercapacitore.
Esempi di questa seconda tipologia sono descritti nei documenti brevettuali US 2016/0365613 A1, US 2017/0149107 A1 e US 2017/0323735 A1.
Questa seconda tipologia di soluzione non raggiunge densità di energia paragonabili con quelle delle celle Litio-Zolfo, la cui densità di energia teorica è almeno cinque volte superiore rispetto a quella di questa seconda tipologia di soluzione.
Un sistema in grado di accumulare e fornire contemporaneamente alti livelli di energia e di potenza soddisferebbe le esigenze di numerose applicazioni quali, ad esempio, i veicoli elettrici, per cui sono necessarie alta energia per poter percorrere un elevato numero di chilometri ed anche alta potenza per l’accelerazione e per il recupero di energia in frenata, ed i sistemi di accumulo delle energie rinnovabili, per cui è richiesta la regolazione dei picchi di potenza senza disperdere energia.
La presente invenzione, che si colloca nell’ambito dei sistemi ibridi (seconda tipologia di soluzione di cui sopra), intende rispondere alla suddetta esigenza.
In particolare, la presente invenzione intende risolvere il problema tecnico di come realizzare il collegamento diretto di una batteria ad alta energia con un supercapacitore, ad alta potenza.
Inoltre, la presente invenzione intende risolvere il problema tecnico di come accumulare ed erogare contemporaneamente alta energia ed alta potenza in un unico dispositivo.
In sintesi dunque, fino al momento attuale, a conoscenza del Richiedente, non sono note soluzioni a tre elettrodi che permettano di accumulare ed erogare contemporaneamente alta energia ed alta potenza.
Pertanto il Richiedente, con il dispositivo secondo la presente invenzione, intende porre rimedio a tale mancanza.
SCOPI E RIASSUNTO DELL’INVENZIONE
È scopo della presente invenzione superare gli inconvenienti dell’arte nota legati all’impossibilità di accumulare ed erogare contemporaneamente alta energia ed alta potenza.
Più precisamente, è scopo della presente invenzione superare gli inconvenienti dei sistemi ibridi.
In particolare, la presente invenzione intende risolvere il problema di come realizzare il collegamento diretto di una batteria ad alta energia con un supercapacitore, ad alta potenza.
Tali obiettivi vengono conseguiti con il dispositivo secondo la presente invenzione che, vantaggiosamente e grazie alla presenza di un unico catodo condiviso da una cella elettrochimica e da un supercapacitore direttamente connessi tra loro e tra cui la corrente fluisce in base alle necessità energetiche, consente di autogestire condizioni simultanee ad alta energia e ad alta potenza.
Il dispositivo secondo la presente invenzione combina per la prima volta, a conoscenza del Richiedente, in un unico sistema sia la capacità di accumulare e di produrre alta energia sia quella di accumulare e di produrre alta potenza sfruttando gli svantaggi delle batterie Litio-Zolfo della tecnica nota.
Come anzidetto, nelle le batterie Litio-Zolfo si verifica la solubilità di polisolfuri e la loro migrazione verso la superficie del catodo e in soluzione.: nel dispositivo secondo la presente invenzione, la migrazione e la solubilità dei polisolfuri verso la superficie dell’unico catodo condiviso fa sì che tale catodo presenti due facce, una ricca in Zolfo verso l’anodo metallico della cella elettrochimica ed una priva di Zolfo verso l’anodo di carbonio del supercapacitore; in questo modo, la cella elettrochimica ed il supercapacitore del dispositivo secondo la presente invenzione usano un unico catodo bi-frontale e due diversi anodi.
Quanto sopra esposto non funziona con le tradizionali batterie agli ioni di Litio, poiché le reazioni che si verificano nella cella elettrochimica devono essere separate da ciò che si verifica nel supercapacitore; infatti, nel dispositivo secondo la presente invenzione, durante la scarica della batteria, i prodotti di reazione (i.e., i polisolfuri) si spostano verso l’anodo di Litio in modo che cella elettrochimica e supercapacitore risultino separati ma funzionanti in modo cooperativo.
Il fatto che lo Zolfo possa spostarsi verso la superficie, fa sì che una superficie dell’elettrodo (quella rivolta verso la cella Litio-Zolfo) sia ricco di Zolfo, mentre l’altra superficie dell’elettrodo (quella rivolta verso il supercapacitore) sia sostanzialmente costituita da carbonio; con l’espressione “ricco di Zolfo” si intende che la superficie dell’elettrodo rivolta verso la cella Litio-Zolfo presenta un contenuto di Zolfo pari almeno al 5% in più rispetto al contenuto in Zolfo della superficie dell’elettrodo rivolta verso il supercapacitore.
Pertanto, durante la ciclazione, si realizzano due dispositivi accoppiati in modo diretto; questo fa sì che le reazioni elettrochimiche avvengano in una regione separata da quella del supercapacitore, consentendo ad entrambi i sistemi – batteria Litio-Zolfo e supercapacitore - di funzionare simultaneamente.
Specificamente, i suddetti ed altri scopi e vantaggi dell’invenzione, quali risulteranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti con un dispositivo elettrochimico secondo la rivendicazione 1.
Forme di realizzazione preferite e varianti del dispositivo elettrochimico secondo la presente invenzione costituiscono l’oggetto delle rivendicazioni dipendenti da 2 a 8.
Un altro aspetto della presente invenzione riguarda un veicolo elettrico comprendente almeno un dispositivo elettrochimico secondo la presente invenzione e costituisce l’oggetto della rivendicazione 9.
Un altro aspetto della presente invenzione riguarda un sistema di accumulo di energie rinnovabili comprendente almeno un dispositivo elettrochimico secondo la presente invenzione e costituisce l’oggetto della rivendicazione 10.
Resta inteso che tutte le rivendicazioni allegate formano parte integrante della presente descrizione e che ciascuna delle caratteristiche tecniche in esse rivendicata è eventualmente indipendente ed utilizzabile autonomamente rispetto agli altri aspetti dell’invenzione.
Risulterà immediatamente evidente che si potranno apportare a quanto descritto innumerevoli modifiche (per esempio relative a forma, dimensioni, disposizioni e parti con funzionalità equivalenti) senza discostarsi dall’ambito di protezione dell’invenzione come rivendicato nelle rivendicazioni allegate.
Vantaggiosamente, la soluzione tecnica secondo la presente invenzione, che fornisce un dispositivo elettrochimico a commutazione automatica per l’accumulo ad alta energia e ad alta potenza, permette di:
- ottenere una densità di energia almeno di 500 Wh/kg;
- ottenere una densità di potenza almeno di 10.000 W/kg;
- assicurare almeno 2.000 cicli;
- avere un costo molto basso, di circa 100 €/kWh;
- avere un’elevata versatilità di progettazione e di impiego, secondo le esigenze specifiche;
- consentire la ricarica veloce dei veicoli elettrici, nel caso di tale applicazione.
Ulteriori caratteristiche vantaggiose appariranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente di preferite ma non esclusive forme di realizzazione, fornite a puro titolo esemplificativo e non limitativo.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
La presente invenzione verrà descritta qui di seguito mediante alcune forme di realizzazione preferite, fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati. Questi disegni illustrano differenti aspetti ed esempi della presente invenzione e, dove appropriato, strutture, componenti, materiali e/o elementi simili in differenti figure sono indicati da numeri di riferimento simili.
La FIG. l è una rappresentazione schematica prospettica della forma di realizzazione preferita del dispositivo elettrochimico secondo la presente invenzione;
la FIG.2 è una sezione frontale di FIG. 1;
la FIG.3 è una rappresentazione schematica prospettica che illustra una prima fase del funzionamento, in condizioni di corrente alta, del dispositivo elettrochimico di FIG.1; la FIG. 4 è una rappresentazione schematica prospettica che illustra una seconda fase del funzionamento, in condizioni di corrente bassa, del dispositivo elettrochimico di FIG. 1;
la FIG. 5 è uno schema di reazione dello Zolfo in una cella elettrochimica Litio-Zolfo tradizionale;
la FIG. 6 è uno schema di funzionamento di una cella elettrochimica Litio-Zolfo tradizionale;
la FIG. 7A è un’immagine SEM (Scanning Electron Microscope) che mostra la matrice porosa dell’unico catodo del dispositivo elettrochimico di FIG. 1;
la FIG. 7B è un’immagine SEM (Scanning Electron Microscope) che mostra l’infusione di Zolfo nella matrice porosa dell’unico catodo del dispositivo elettrochimico di FIG.
1;
la FIG. 8 è un grafico a barre che mostra la prestazione del dispositivo elettrochimico secondo la presente invenzione rispetto alle prestazioni di soluzioni note;
la FIG. 9 è una rappresentazione schematica prospettica di una prima forma di realizzazione alternativa del dispositivo elettrochimico secondo la presente invenzione;
la FIG. 10 è una rappresentazione schematica prospettica di una seconda forma di realizzazione alternativa del dispositivo elettrochimico secondo la presente invenzione;
la FIG. 11 è una rappresentazione schematica prospettica di una terza forma di realizzazione alternativa del dispositivo elettrochimico secondo la presente invenzione;
la FIG. 12 è una curva di scarica e carica a corrente costante che illustra l’Esempio 1 della presente invenzione;
la FIG. 13 è una curva di scarica e carica a corrente costante che illustra l’Esempio 2 della presente invenzione; e
la FIG. 14 è una curva di scarica e carica a corrente costante che illustra l’Esempio 3 della presente invenzione.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE
Mentre l’invenzione è suscettibile di varie modifiche e costruzioni alternative, alcune forme di realizzazione preferite sono mostrate nei disegni e saranno descritte qui di seguito in dettaglio.
Si deve intendere, comunque, che non vi è alcuna intenzione di limitare l’invenzione alle specifiche forme di realizzazione illustrate, ma, al contrario, l’invenzione intende coprire tutte le modifiche, costruzioni alternative, ed equivalenti che ricadano nell’ambito dell’invenzione come definito nelle rivendicazioni.
Nella seguente descrizione, pertanto, l’uso di “ad esempio”, “ecc.”, “o / oppure” indica alternative non esclusive senza alcuna limitazione, salvo diversa indicazione; l’uso di “anche” significa “tra cui, ma non limitato a” se non diversamente indicato; l’uso di “include / comprende” significa “include / comprende, ma non limitato a” a meno che non altrimenti indicato.
Il dispositivo della presente invenzione si basa sul concetto innovativo di combinare in un unico sistema una cella elettrochimica ed un supercapacitore per ottenere simultaneamente la capacità di accumulare e di erogare sia ad alta energia sia ad alta potenza.
Gli Inventori hanno infatti sorprendentemente osservato ed inaspettatamente scoperto che un dispositivo ibrido comprendente una cella elettrochimica, ad esempio Litio-Zolfo o Sodio-Zolfo o Metallo-Ossigeno, direttamente connessa con un supercapacitore è in grado di autogestire condizioni ad alta energia e ad alta potenza in quanto, in base alle necessità energetiche, la corrente fluisce nella cella elettrochimica o nel supercapacitore.
Come anzidetto, la presente invenzione sfrutta gli svantaggi delle batterie Litio-Zolfo trasformandoli in vantaggi; in particolare, la migrazione e solubilità dei polisolfuri verso la superficie del catodo fa sì che il catodo presenti due facce e possa essere utilizzato come unico catodo sia per la cella elettrochimica sia per il supercapacitore. Nella presente descrizione, con il termine “cella elettrochimica” si intende un dispositivo in grado di convertire l’energia elettrica in energia chimica o viceversa; nella presente descrizione, il termine “pila” è utilizzato come sinonimo del termine “cella elettrochimica”.
Nella presente descrizione, con il termine “supercapacitore” si intende un particolare condensatore che ha la caratteristica di accumulare una quantità di carica elettrica eccezionalmente grande rispetto ai condensatori comuni.
Nella presente descrizione, con il termine “anodo” si intende l’elettrodo negativo della pila e il luogo in cui avvengono le reazioni di ossidazione durante la scarica.
Nella presente descrizione, con il termine “catodo” si intende l’elettrodo positivo della pila e il luogo in cui avvengono le reazioni di riduzione durante la scarica.
Nella presente descrizione, con il termine “elettrolita” si intende una sostanza che in soluzione è in grado di dissociarsi completamente o parzialmente in ioni; l’elettrolita può essere liquido o solido e garantisce il trasferimento degli ioni tra i due elettrodi durante il funzionamento della pila e del supercapacitore.
Nella presente descrizione, con il termine “matrice porosa” si intende una sostanza porosa in grado di ospitare lo Zolfo nel caso di una pila Litio-Zolfo oppure di garantire il trasferimento elettronico da e all’ossigeno, che passa in essa, nel caso di sistemi Metallo-Ossigeno.
Nella presente descrizione, con il termine “infusione” si intende il processo ad alta temperatura per l’inserimento dello Zolfo fuso nei pori della matrice porosa.
Nella presente descrizione, con il termine “sostanza attiva” si intende il materiale che si ossida e si riduce agli elettrodi.
Il dispositivo elettrochimico 10 nella forma generale di realizzazione secondo la presente invenzione è schematizzato nelle FIGG. 1 e 2; tale dispositivo elettrochimico 10 comprende una cella elettrochimica 1 ed un supercapacitore 2.
La cella elettrochimica 1 comprende un primo anodo metallico 3 rivolto verso un primo elettrolita 5.
Il supercapacitore 2 comprende un secondo anodo 4 rivolto verso un secondo elettrolita 6; più in particolare, il supercapacitore 2 è composto da un primo elettrodo a base carboniosa, specificamente il predetto anodo 4, e da un secondo elettrodo costituito dalla superficie di un unico catodo 11 - di cui si dirà più avanti - rivolta verso l’elettrolita 6. L’anodo 4 è preferibilmente composto da carboni attivati ad alta area superficiale che, come la superficie dell’unico catodo 11 rivolta verso l’elettrolita 6, si polarizzano elettricamente per effetto della differenza di potenziale ad essi applicata; conseguentemente all’interfaccia tra gli elettrodi 11 e 4 e l’elettrolita 6 si forma uno strato di ioni con carica opposta a quella dell’elettrodo stesso, chiamato doppio-strato elettrico.
Il dispositivo elettrochimico 10 comprende, inoltre, un unico catodo 11 condiviso sia dalla cella elettrochimica 1 sia dal supercapacitore 2; tale unico catodo 11 comprende, a sua volta, una matrice porosa 12 in cui è infusa una sostanza attiva 13 appartenente al gruppo dei Calcogeni, o gruppo 16, della Tavola Periodica degli Elementi.
Preferibilmente, la matrice porosa 12 dell’unico catodo 11 è realizzata in materiale conduttivo, più preferibilmente è realizzata in materiale conduttivo scelto tra carbonio poroso, schiuma di Nichel (Ni), nanotubi di carbonio (CNT) o carboni mesoporosi ordinati (OMC), ancora più preferibilmente è realizzata in carbonio poroso.
Preferibilmente, la sostanza attiva 13 dell’unico catodo 11 è Zolfo (S) od Ossigeno (O). La cella elettrochimica 1 ed il supercapacitore 2 sono posti in serie; nella forma di realizzazione generale e preferita della presente invenzione, la serie formata dalla cella elettrochimica 1 e dal supercapacitore 2 presenta la seguente sequenza:
- il primo anodo 3 è contiguo al primo elettrolita 5,
- il primo elettrolita 5 è contiguo all’unico catodo 11 dal lato opposto al primo anodo 3,
- l’unico catodo 11 è contiguo al secondo elettrolita 6 dal lato opposto al primo elettrolita 5,
- il secondo elettrolita 6 è contiguo al secondo anodo 4 dal lato opposto all’unico catodo 11, e
- il primo anodo 3 ed il secondo anodo 4 sono collegati tra loro direttamente, rispettivamente dai lati opposti al primo elettrolita 5 ed al secondo elettrolita 6. Il primo anodo 3 è realizzato in un materiale metallico scelto tra i) i metalli alcalini, o metalli del gruppo 1, e ii) i metalli alcalino-terrosi, o metalli del gruppo 2, della Tavola Periodica degli Elementi.
Preferibilmente, il primo anodo 3 è realizzato in Litio (Li) o Sodio (Na) o Zinco (Zn) metallico, preferibilmente puro (vale a dire con purezza superiore a 99,9 %); preferibilmente si utilizzano Litio o Sodio nel caso in cui la sostanza attiva catodica sia Zolfo, mentre si utilizza preferibilmente Litio o Zinco nel caso in cui la sostanza attiva catodica sia Ossigeno.
Il primo elettrolita 5 può essere liquido, polimerico o solido,
� se liquido, è imbibito su un separatore a base cellulosica, polimerica od in fibre di vetro ed è scelto tra i) liquidi di natura organica, ii) liquidi ionici aprotici, protici o zwitterionici e iii) soluzioni a base acquosa nel caso in cui il primo anodo 3 sia un metallo alcalino-terroso ed in cui la sostanza attiva catodica 13 sia Ossigeno (O);
� se polimerico, è un buon conduttore ionico, vale a dire con una conducibilità superiore a 10<-5 >S/cm, ed è scelto tra i) polimeri a base di metacrilati, poli(viniliden-fluoruro) (PVdF), poli(viniliden- fluoruro-coesafluoropropilen) (PVdF-HFP), polietilen-ossido (PEO), polistirene (PS), poli(etilen-glicole) (PEG), poli(etilen-glicol) diacrilato (PEGDA), poli(etilene glicole) diglicidil etere (PEGDE), e policarbonati in generale, o da qualsiasi polimero a blocchi o strutture tridimensionali (anche di tipo reti interpenetranti) basate su qualsiasi polimero tra quelli qui precedentemente citati e ii) ibridi polimeri/ceramici comprendenti polveri a base di ossido di Alluminio (Al2O3), ossido di Titanio (TiO2), silicati o perovskiti;
� se solido, è a base ceramica o vetrosa ed è scelto, ad esempio, tra borosilicati, silicati, allumine e solfuri.
Considerando, a titolo esemplificativo e non limitativo, che il primo anodo 3 sia realizzato in Litio, il primo elettrolita 5 è liquido e contiene un solvente organico in cui è disciolto un sale contenente ioni Litio (ad esempio, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiNO3, LiCF3SO3, LiTFSI, LiN(C2F5SO2)2, LiAlO4, LiAlCl4 o una loro miscela). Considerando, a titolo esemplificativo e non limitativo, che il primo anodo 3 sia realizzato in Sodio, il primo elettrolita 5 è liquido e contiene un solvente organico in cui è disciolto un sale contenente ioni Sodio (ad esempio, NaCF3SO3).
Considerando, a titolo esemplificativo e non limitativo, che l’unico catodo comprenda Ossigeno, il primo elettrolita 5 è liquido e contiene un solvente organico in cui è disciolto un sale (ad esempio, LiPF6, Li(CF3SO2)2N(LiTFSI), LiCF3SO3-, LiClO4, KOH, ZnCl2, Zn(OH)2).
In particolare, il primo elettrolita 5 può essere un liquido ionico composto dai seguenti cationi ed anioni:
- i cationi per la formazione del doppio-strato elettrico possono essere:
tetrabutilammonio, 1-Etil 3-metilimidazolio, l-Butil-3 metilimidazolio, l-(3-Cianopropil)-3-metilimidazolio, 1,2-Dimetil-3-propilimidazolio, l,3-Bis(3-cianopropil)imidazolio, 1,3-Dietoxiimidazolio, 1-Butil-l-metilpiperidinio, l-Butil-2,3-dimetilimidazolio, l-Butil-4-metilpyridinio, 1-Butilpiridinio, l-Decil-3-methilimidazolio, 3-Metil-l-propilpiridinio o loro miscele;
- gli anioni per la formazione del doppio-strato elettrico possono essere: etilsolfato, metil-solfato, tiocianato, acetato, cloruro, metan-solfonato, tetra-cloroalluminato, tetra-fluoro-borato, esafluoro-fosfato, trifluoro-metan-solfonato, bis(pentafluoroetan-sulfonato)immide, trifluoro (trifluorometil)borato, bis(trifluorometan-sulfonat)immide, tris(trifluorometan-3-sulfon)metide, dicianammide o loro miscele.
Il secondo elettrolita 6 può essere liquido o polimerico, preferibilmente polimerico, � se liquido, è imbibito su un separatore a base cellulosica, polimerica od in fibre di vetro ed è scelto tra i) liquidi di natura organica (soluzioni di sali organici quaternari di ammoni o fosfoni tetrafluoroborati conduttivi in solventi organici quali propilene carbonato, acetonitrile e simili, o loro miscele, ii) liquidi ionici aprotici, protici o zwitterionici, preferibilmente liquidi aprotici, più o meno diluiti in un solvente organico. � se polimerico, è un buon conduttore ionico, vale a dire con una conducibilità superiore a 10<-5 >S/cm, ed è scelto tra i) polimeri a base di metacrilati, poli(viniliden-fluoruro) (PVdF), poli(viniliden- fluoruro-coesafluoropropilen) (PVdF-HFP), polietilen-ossido (PEO), polistirene (PS), poli(etilen-glicole) (PEG), poli(etilen-glicol) diacrilato (PEGDA) o poli(etilene glicole) diglicidil etere (PEGDE), ii) policarbonati, iii) polimeri a blocchi, iv) strutture tridimensionali basate su tali polimeri e v) ibridi polimeri/ceramici comprendenti polveri a base di ossido di Alluminio (Al2O3), ossido di Titanio (TiO2), silicati o perovskiti;
� se solido, è a base ceramica o vetrosa ed è preferibilmente scelto tra borosilicati, silicati, allumine o solfuri.
Il secondo anodo 4 è uno strato poroso ad alta area superficiale ed è realizzato in materiale carbonioso o in altri materiali ben conduttivi quali ad esempio grafite, nanotubi di carbonio (CNT) o carboni mesoporosi ordinati (OMC) o carboni attivi (AC).
In particolare e con riferimento alla FIG.3, che illustra la prima fase del funzionamento del dispositivo elettrochimico 10 si vede che quando la corrente è elevata essa passa attraverso il supercapacitore che si polarizza, mentre non passa attraverso la cella Litio-Zolfo in quanto ad alte correnti il potenziale operativo della cella elettrochimica crolla praticamente a zero; questa prima fase di funzionamento avviene in condizioni di corrente alta, vale a dire con valori di corrente C nell’intervallo 2<C<30; in questa prima fase di funzionamento lavora soltanto il supercapacitore, che si carica, e pertanto il dispositivo accumula energia ad alta potenza mediante processi coulombici.
In particolare e con riferimento alla FIG. 4, che illustra la seconda fase del funzionamento del dispositivo elettrochimico 10 si vede che a basse correnti il supercapacitore si carica molto velocemente, ma anche la cella elettrochimica può caricarsi e si osserva la formazione dei polisolfuri in soluzione; questa seconda fase di funzionamento avviene in condizioni di corrente bassa, vale a dire con valori di corrente C nell’intervallo 0,001<C<2; in questa seconda fase di funzionamento lavorano sia la cella elettrochimica sia il supercapacitore e, pertanto, il dispositivo si carica mediante processi di natura faradica e anche coulombica.
La differenza di tensione V tra i due anodi 3 (ad esempio, in Litio) e 4 (ad esempio, in Carbonio) è molto bassa (circa 0,1 V) e per questo possono essere collegati insieme. È noto che il supercapacitore 2 può funzionare a correnti C molto elevate (C > 1.000) se la corrente C applicata al dispositivo 10 è molto alta, la corrente C può scorrere solo attraverso il supercapacitore 2, poiché ad alta corrente C la tensione V della cella elettrochimica 1, ad esempio una cella Litio-Zolfo, è prossima a 0 V.
Quando la corrente C applicata al dispositivo 10 è bassa, il supercapacitore 2 si carica in pochi secondi e quindi la cella elettrochimica 1 inizia a caricarsi, immagazzinando una quantità molto elevata di energia; il contrario avviene durante la scarica: quando si richiedono basse correnti C, la cella elettrochimica 1, ad esempio una cella Litio-Zolfo, funziona, ma quando viene richiesta potenza elevata il dispositivo 10 continua a funzionare grazie alla presenza del supercapacitore.
Si desidera ribadire che il funzionamento sopra esposto non può avvenire nelle sole tradizionali batterie agli ioni di Litio, poiché le reazioni che si verificano nella cella elettrochimica devono essere separate da quelle che si verificano nel supercapacitore. Il dispositivo elettrochimico 10 secondo la presente invenzione è in grado di accumulare e fornire contemporaneamente livelli di alta energia, vale a dire livelli di energia superiori a 500 Wh/kg, e livelli di alta potenza, vale a dire livelli di potenza superiori a 1.000 W/kg, facendo autonomamente fluire la corrente nella cella elettrochimica 1 o nel supercapacitore 2 in base alle necessità energetiche, così realizzando la commutazione automatica del dispositivo elettrochimico 10.
Tornando all’unico catodo 11, esso è progettato per consentire l’infusione della sostanza attiva 13, preferibilmente Zolfo, nella matrice porosa 12, preferibilmente realizzata in carbonio poroso, ed anche per permettere le reazioni di ossidazione/riduzione della sostanza attiva 13.
La sostanza attiva 13 è infusa nell’unico catodo 11 in una quantità superiore a 10% in peso.
La sostanza attiva 13 nell’unico catodo 11 in prossimità del primo elettrolita 5 è presente in una concentrazione superiore di almeno il 5% rispetto alla concentrazione della sostanza attiva 13 in prossimità del primo anodo 3, come viene spiegato qui di seguito.
Considerando, a titolo esemplificativo e non limitativo, che la sostanza attiva 13 sia Zolfo, tale Zolfo viene infuso nei pori della matrice porosa 12 prima dell’assemblaggio del dispositivo elettrochimico 10; il processo di infusione è realizzato in modo tradizionale, ad esempio mediante impregnazione della matrice porosa 12 con lo Zolfo a 120 °C, temperatura a cui lo Zolfo diventa liquido.
Le FIGG. 7A e 7B sono immagini SEM (Scanning Electron Microscope) che mostrano, rispettivamente, la matrice porosa 12 dell’unico catodo 11 del dispositivo elettrochimico 10 senza Zolfo e con Zolfo infuso; come si può osservare, la distribuzione dello Zolfo attraverso la grafite è molto omogenea.
Lo Zolfo, durante il funzionamento del dispositivo elettrochimico 10, si muove verso la superficie dell’elettrodo 11 andando in soluzione come polisolfuri; alla fine del processo di riduzione riprecipita come solfuro di Litio (Li2S) solido, secondo lo schema di reazione riportato in FIG. 5.
Con riferimento alle FIGG. 5 e 6 e considerando, a titolo esemplificativo e non limitativo, che la cella elettrochimica 1 sia una cella Litio-Zolfo, essa comprende il primo anodo metallico al Litio, un elettrolita organico ed il catodo composito Carbonio (matrice porosa) e Zolfo in esso infuso.
La reazione di ossidoriduzione globale Litio-Zolfo (Li-S) può essere rappresentata come segue:
16 Li S8� 8 Li2S
Durante la scarica, lo Zolfo si riduce aprendo il suo anello a otto atomi di Zolfo per formare degli ioni polisolfuri (LixS, con x = 2–8), solubili in soluzione.
All’anodo il Litio metallico si ossida in ioni Li<+>, che si legano agli ioni negativi formati al catodo.
Alla fine della scarica, si giunge alla formazione di solfuro di Litio (Li2S) il cui volume è maggiore di quello che lo Zolfo elementare aveva inizialmente.
La FIG.5 sintetizza lo schema delle reazioni di cui sopra e mostra la curva dei processi di carica e di scarica; la FIG.6 schematizza, invece, lo schema di funzionamento di una cella elettrochimica Litio-Zolfo.
Con riferimento alla FIG. 9, il dispositivo elettrochimico 10 può inoltre comprendere una membrana protettiva 20 interposta tra il primo anodo 3 ed il primo elettrolita 5. La membrana protettiva 20 può essere di natura polimerica, ceramica, ibrida polimerica/ceramica oppure può essere un’interfaccia elettrolita / solido (Solid Electrolyte Interface, SEI) artificiale.
Il vantaggio specifico di questa prima forma di realizzazione alternativa del dispositivo elettrochimico 10 secondo la presente invenzione risiede principalmente nel fatto di conferire al dispositivo 10 una maggior sicurezza, in quanto la presenza della membrana protettiva 20 rende più difficile la formazione di dendriti metalliche e protegge il Litio dalla scarica diretta dei polisolfuri sulla sua superficie.
Con riferimento alla FIG. 10, il dispositivo elettrochimico 10 può inoltre comprendere un materiale a base ossido 21 posto sulla superficie dell’unico catodo 11 dal lato contiguo al secondo elettrolita 6.
Il materiale a base ossido 21 può essere TiOx, MnOx e simili; esso agisce come catodo per il supercapacitore e come strato intermedio per la cella elettrochimica.
Il vantaggio specifico di questa seconda forma di realizzazione alternativa del dispositivo elettrochimico 10 secondo la presente invenzione risiede principalmente nel fatto di aumentare la potenza del dispositivo 10.
Con riferimento alla FIG. 11, il dispositivo elettrochimico 10 può inoltre comprendere uno strato aggiuntivo 22, preferibilmente di carbonio poroso ad alta area superficiale, posto sulla superficie dell’unico catodo 11 dal lato opposto al secondo elettrolita 6. Lo strato aggiuntivo 22 può anche essere un ossido, ad esempio MnO2, che rende il supercapacitore asimmetrico.
Il vantaggio specifico di questa terza forma di realizzazione alternativa del dispositivo elettrochimico 10 secondo la presente invenzione risiede principalmente nel fatto di ridurre la migrazione dei polisolfuri verso il primo anodo 3 e migliorare le prestazioni della cella elettrochimica.
Il dispositivo elettrochimico secondo la presente invenzione viene di seguito descritto in maggiore dettaglio con riferimento ai seguenti Esempi, che sono stati sviluppati sulla base di dati sperimentali e che sono intendersi come illustrativi ma non limitativi della presente invenzione.
Esempio 1
Viene realizzato un dispositivo elettrochimico 10 come quello illustrato in FIG. 1. Il primo anodo 3 è litio metallico puro; il primo elettrolita 5 è dimetossietano 1:1 diossilano con sale Litio Bis(trifluorometano)sulfonimide; il catodo 11 è una miscela di carbonio e zolfo; il secondo elettrolita 6 è 1-Butil-3-metilimidazolio tetrafluoroborato 1M; il secondo anodo 4 è carbone attivo.
La misura galvanostatica dell’Esempio 1 è una curva di scarica e carica a corrente costante e viene misurato il potenziale, come illustrato in FIG.12.
Secondo l’Esempio 1, la misura galvanostatica è condotta a basse correnti C/5 e cioè alla corrente necessaria per caricare o scaricare in modo completo il dispositivo in 5 ore.
Si osserva l’andamento tipico della cella Litio-Zolfo per i due cicli completi realizzati, vale a dire simile all’andamento tipico descritto precedentemente in FIG. 5.
Esempio 2
Viene realizzato un dispositivo elettrochimico 10 come quello illustrato in FIG. 1. Il primo anodo 3 è litio metallico puro; il primo elettrolita 5 è dimetossietano 1:1 diossilano con sale Litio Bis(trifluorometano)sulfonimide; il catodo 11 è una miscela di carbonio e zolfo; il secondo elettrolita 6 è 1-Butil-3-metilimidazolio tetrafluoroborato 1M; il secondo anodo 4 è carbone attivo.
La misura galvanostatica dell’Esempio 2 è una curva di scarica e carica a corrente costante e viene misurato il potenziale, come illustrato in FIG.13.
Secondo l’Esempio 2, la misura galvanostatica è condotta a alte correnti 10C e cioè alla corrente necessaria per caricare o scaricare in modo completo il dispositivo in 6 minuti. Si osserva che, nonostante le correnti molto elevate per una cella Litio-Zolfo, il dispositivo elettrochimico secondo la presente invenzione continua a funzionare correttamente in quanto protetto dal capacitore che assorbe la corrente elevata.
Esempio 3
Viene realizzato un dispositivo elettrochimico 10 come quello illustrato in FIG. 1. Il primo anodo 3 è litio metallico puro; il primo elettrolita 5 è dimetossietano 1:1 diossilano con sale Litio Bis(trifluorometano)sulfonimide; il catodo 11 è una miscela di carbonio e zolfo; il secondo elettrolita 6 è 1-Butil-3-metilimidazolio tetrafluoroborato 1M; il secondo anodo 4 è carbone attivo.
La misura galvanostatica dell’Esempio 3 è una curva di scarica e carica a corrente costante e viene misurato il potenziale, come illustrato in FIG.14.
Secondo l’Esempio 3, la misura galvanostatica è condotta a correnti molto elevate 20C e cioè alla corrente necessaria per caricare o scaricare in modo completo il dispositivo in tre minuti.
Si osserva che anche a queste correnti, che non possono essere sopportate dalla cella Litio-Zolfo da sola, il dispositivo elettrochimico secondo la presente invenzione continua a funzionare correttamente in quanto protetto dal capacitore che assorbe la corrente elevata.
Il dispositivo elettrochimico secondo la presente invenzione viene confrontato con soluzioni note in termini di densità di energia, densità di potenza e cicli operativi, che sono stati determinati come di seguito descritto.
Misura della densità di energia
La densità di energia si ottiene dai valori di potenziale misurato e di corrente, nonché dalla capacità misurata (calcolata come prodotto dell’intensità della corrente per il tempo), il tutto rapportato al peso oppure al volume del dispositivo.
In particolare, per la misura vengono utilizzati i seguenti strumenti: galvanostato elettrochimico e potenziostato elettrochimico.
L’Esempio 1 è usato per la misura della densità di energia. Dai dati di corrente impostata durante la scarica, la tensione determinata, il tempo necessario per la scarica completa e la massa in kg di zolfo nel catodo 11, si può calcolare la densità di energia, data dal prodotto della corrente in Ampere, del tempo in ore e della tensione in Volt e divisa per i kg di materia attiva (zolfo nel catodo 11). Dai dati dell’Esempio 1 condotto a C/5, prova eseguita per osservare il comportamento del dispositivo a bassa corrente e quindi come accumulatore di alta energia, si determina una densità di energia di 2.195 Wh/kg.
Misura della densità di potenza
La densità di potenza si ottiene dai valori di potenziale misurato e di corrente, nonché dalla capacità misurata (calcolata come prodotto dell’intensità della corrente per il tempo).
In particolare, per la misura vengono utilizzati i seguenti strumenti: galvanostato elettrochimico e potenziostato elettrochimico.
L’Esempio 2 è usato per la misura della densità di potenza. Dai dati di corrente impostata durante la scarica, la tensione determinata e la massa in kg di zolfo nel catodo 11, si può calcolare la densità di potenza, data dal prodotto della corrente in Ampere, della tensione in Volt e divisa per i kg di materia attiva (zolfo nel catodo 11). Dai dati dell’Esempio 2 condotto a 10C, prova eseguita per osservare il comportamento del dispositivo ad alta corrente e quindi come accumulatore di alta potenza, si determina una densità di potenza pari a 6.700 W/kg.
La stessa misura condotta sui dati dell’Esempio 3, condotto a 20C, prova eseguita per osservare il comportamento del dispositivo ad altissima corrente e quindi come accumulatore di alta potenza, si determina una densità di potenza pari a 12.000 W/kg. Misura dei cicli operativi
Il numero di cicli operativi si determina portando la cella fino a fine vita.
In particolare, per la misura vengono utilizzati i seguenti strumenti: galvanostato elettrochimico e potenziostato elettrochimico.
Nelle prove di laboratorio, dopo una decina di cicli non si osservano diminuzioni delle prestazioni del dispositivo secondo la presente invenzione.
Determinazione del costo
Il costo viene stimato in base ad alcuni metodi noti nel settore, quali ad esempio la densità di energia o la densità di potenza rapportate al costo di fabbricazione del dispositivo.
Il costo tiene conto dei bassi costi dei materiali utilizzabili a livello industriale.
I risultati del confronto tra il dispositivo elettrochimico secondo la presente invenzione e le soluzioni note sono sintetizzati nella sottostante Tabella.
TABELLA
La suddetta Tabella mostra i risultati del confronto tra il dispositivo elettrochimico secondo la presente invenzione e sistemi presenti sul mercato (Litio-ione, specificamente Litio-Zolfo, descritti nei documenti di arte nota Aurbach et al., Materials Today, 17 (3), 110-121, 2014 e Hannan et al., Renewable and Sustainable Energy Reviews, 69, 771–789, 2017), sistemi in fase di studio non presenti sul mercato (Post Litio-Ione, descritti nei documenti di arte nota (Hagen et al., Journal of Power Sources, 264, 30-34, 2014 e Liang et al., Adv. Energy Mater., 6, 1501636, 2016) e sistemi ibridi in fase di studio non presenti sul mercato (descritti nei documenti di arte nota Zhou et al., Journal of The Electrochemical Society, 163 (13) A2618-A2622, 2016 e Wei et al., Nano Energy 34 205–214, 2017; Li et. Al. Advanced Functional Materials, 25 (33), 5384-5394, 2015).
I dati esposti nella Tabella sopra riportata sono anche rappresentati in FIG.8, che è un grafico a barre che mostra la prestazione del dispositivo elettrochimico secondo la presente invenzione rispetto alle prestazioni di soluzioni note e che illustra, in particolare, in quale modo la presente invenzione si posizioni in modo complessivo tra i massimi valori per i diversi parametri esposti.
Risulta evidente che il dispositivo elettrochimico secondo la presente invenzione è in grado di raggiungere valori di energia e di potenza molto elevati combinando una cella elettrochimica ed un supercapacitore; tale risultato viene conseguito sfruttando i problemi legati alla tecnologia delle batterie Litio-Zolfo e trasformandoli in vantaggi. Infatti, durante la fase di scarica, lo Zolfo si riduce aprendo il ciclo a otto atomi di Zolfo e formando polisolfuri di Litio, che sono solubili nell’elettrolita 5.
Al termine della reazione di riduzione si forma solfuro di Litio (Li2S) sulla superficie del catodo 11.
I cicli di dissoluzione e riprecipitazione fanno sì che le reazioni avvengano solo sulla superficie del catodo 11 e che lo Zolfo si sposti man mano verso la superficie del catodo 11 stesso; il fatto che i polisolfuri vadano in soluzione non garantisce la loro riprecipitazione sul catodo, ma potrebbe succedere che vadano a scaricarsi direttamente all’anodo metallico 3, fatto negativo nelle batterie Litio-Zolfo.
Invece, nel dispositivo elettrochimico secondo la presente invenzione il fatto che lo Zolfo possa spostarsi verso la superficie fa sì che un lato dell’unico catodo, quello rivolto verso la cella elettrochimica, sia ricco di Zolfo (almeno il 5% in più), mentre l’altro lato del catodo, quello rivolto verso il supercapacitore, sia sostanzialmente costituita da carbonio.
Quindi, durante la ciclazione, si realizzano due sistemi accoppiati in modo diretto. Costituisce, inoltre, un aspetto indipendente ed utilizzabile autonomamente rispetto agli altri aspetti dell’invenzione un veicolo elettrico comprendente almeno un dispositivo elettrochimico 10 come sopra descritto.
La suddetta applicazione prevede, nel lungo termine, di realizzare sistemi di stoccaggio di grandi quantità di energia che può essere resa disponibile tutta insieme (potenza); sarà inoltre più facile recuperare anche l’energia di frenata.
Secondo le previsioni fatte dal Richiedente in base ai dati sperimentali di laboratorio, grazie alla ricarica rapida consentita dal dispositivo elettrochimico secondo la presente invenzione, sarà possibile un recupero di energia molto efficiente dalla decelerazione e dalla frenata del motore elettrico, permettendo così una più rapida transizione dalle autovetture con motore a combustione ai veicoli elettrici.
Inoltre, l’utilizzo del dispositivo elettrochimico secondo la presente invenzione renderà possibile il funzionamento con un’automobile elettrica per oltre 700 km per ogni carica, rispetto ai 150-200 km effettivi delle tecnologie attuali.
Infine, confrontando gli attuali sistemi Litio-ione, specificamente Litio-Zolfo, con le densità di energia del dispositivo elettrochimico secondo la presente invenzione, ciascun ciclo del dispositivo elettrochimico secondo la presente invenzione corrisponde ad almeno quattro cicli dei sistemi Litio-ione, specificamente Litio-Zolfo, nelle stesse condizioni operative; conseguentemente, il dispositivo elettrochimico secondo la presente invenzione può funzionare per almeno quindici anni senza essere cambiato, aspetto di sicuro interesse per i produttori di automobili.
Costituisce, inoltre, un aspetto indipendente ed utilizzabile autonomamente rispetto agli altri aspetti dell’invenzione un sistema di accumulo di energie rinnovabili comprendente almeno un dispositivo elettrochimico 10 come sopra descritto.
La suddetta applicazione prevede di realizzare accumulatori in grado di gestire anche i picchi di potenza variabili, tipici dei sistemi accumulo stazionario, come ad esempio le energie rinnovabili.
Secondo le previsioni fatte dal Richiedente in base ai dati sperimentali di laboratorio, l’utilizzo futuro del dispositivo elettrochimico secondo la presente invenzione consentirà di ridurre la variabilità del flusso di energia degli impianti di energia rinnovabile.
Come si deduce da quanto sopra esposto, la soluzione tecnica innovativa qui descritta presenta le seguenti caratteristiche vantaggiose:
- ottenere una densità di energia almeno di 500 Wh/kg;
- ottenere una densità di potenza almeno di 10.000 W/kg;
- assicurare almeno 2.000 cicli;
- avere un’elevata versatilità di progettazione e di impiego, secondo le esigenze specifiche;
Dalla descrizione qui sopra riportata è evidente, quindi, come il dispositivo elettrochimico secondo la presente invenzione permetta di raggiungere gli scopi proposti.
È altrettanto evidente, ad un tecnico del ramo, che è possibile apportare modifiche e ulteriori varianti alla soluzione descritta con riferimento alle figure allegate, senza per questo fuoriuscire dall’insegnamento della presente invenzione e dall’ambito di protezione come definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo elettrochimico (10) comprendente una cella elettrochimica (1) ed un supercapacitore (2), in cui - detta cella elettrochimica (1) comprende un primo anodo (3) ed un primo elettrolita (5); - detto supercapacitore (2) comprende un secondo anodo (4) ed un secondo elettrolita (6); - detta cella elettrochimica (1) e detto supercapacitore (2) sono posti in serie, caratterizzato dal fatto che - è presente un unico catodo (11) condiviso sia da detta cella elettrochimica (1) sia da detto supercapacitore (2) e dal fatto che - detto unico catodo (11) comprende una matrice porosa (12) in cui è infusa una sostanza attiva (13) appartenente al gruppo dei Calcogeni, o gruppo 16, della Tavola Periodica degli Elementi.
  2. 2. Dispositivo elettrochimico (10) secondo la rivendicazione 1, in cui la serie formata da detta cella elettrochimica (1) e da detto supercapacitore (2) presenta la seguente sequenza - detto primo anodo (3) è contiguo a detto primo elettrolita (5), - detto primo elettrolita (5) è contiguo a detto unico catodo (11) dal lato opposto a detto primo anodo (3), - detto unico catodo (11) è contiguo a detto secondo elettrolita (6) dal lato opposto a detto primo elettrolita (5), - detto secondo elettrolita (6) è contiguo a detto secondo anodo (4) dal lato opposto a detto unico catodo (11), e - detto primo anodo (3) e detto secondo anodo (4) sono collegati tra loro direttamente, rispettivamente dai lati opposti a detto primo elettrolita (5) e a detto secondo elettrolita (6).
  3. 3. Dispositivo elettrochimico (10) secondo la rivendicazione 2, in cui - detto primo anodo (3) è realizzato in un materiale metallico scelto tra i) i metalli alcalini, o metalli del gruppo 1, e ii) i metalli alcalino-terrosi, o metalli del gruppo 2, della Tavola Periodica degli Elementi, preferibilmente è realizzato in Litio (Li) o Sodio (Na) o Zinco (Zn); - detto primo elettrolita (5) è liquido, polimerico o solido, � se liquido, essendo imbibito su un separatore a base cellulosica, polimerica od in fibre di vetro ed essendo scelto tra i) liquidi di natura organica e ii) liquidi ionici aprotici, protici o zwitterionici; � se polimerico, essendo un buon conduttore ionico, vale a dire con una conducibilità superiore a 10<-5 >S/cm ed essendo scelto tra i) polimeri a base di metacrilati, poli(viniliden-fluoruro) (PVdF) o polietilen-ossido (PEO) e ii) ibridi polimeri/ceramici comprendenti polveri a base di ossido di Alluminio (Al2O3), ossido di Titanio (TiO2), silicati o perovskiti; � se solido, essendo a base ceramica o vetrosa, preferibilmente essendo scelto tra borosilicati, silicati, allumine o solfuri; - detta matrice porosa (12) di detto unico catodo (11) è realizzata in materiale conduttivo, preferibilmente è realizzata in materiale conduttivo scelto tra carbonio poroso, schiuma di Nichel (Ni), nanotubi di carbonio (CNT) o carboni mesoporosi ordinati (OMC), più preferibilmente è realizzata in carbonio poroso; - detta sostanza attiva (13) di detto unico catodo (11) è Zolfo (S) od Ossigeno (O); - detto secondo elettrolita (6) è liquido o polimerico, preferibilmente polimerico, � se liquido, essendo imbibito su un separatore a base cellulosica, polimerica od in fibre di vetro ed essendo scelto tra i) solventi organici comprendenti un sale, preferibilmente con ioni Litio (Li) o con ioni Sodio (Na), ii) liquidi ionici e iii) soluzioni a base acquosa nel caso in cui detto primo anodo (3) sia un metallo alcalino-terroso ed in cui detta sostanza attiva (13) sia Ossigeno (O); � se polimerico, essendo un buon conduttore ionico, vale a dire con una conducibilità superiore a 10<-5 >S/cm, ed essendo scelto tra i) polimeri a base di metacrilati, poli(viniliden-fluoruro) (PVdF), poli(vinilidenfluoruro-co-esafluoropropilen) (PVdF-HFP), polietilen-ossido (PEO), polistirene (PS), poli(etilen-glicole) (PEG), poli(etilen-glicol) diacrilato (PEGDA) o poli(etilene glicole) diglicidil etere (PEGDE), ii) policarbonati, iii) polimeri a blocchi, iv) strutture tridimensionali basate su detti polimeri e v) ibridi polimeri/ceramici comprendenti polveri a base di ossido di Alluminio (Al2O3), ossido di Titanio (TiO2), silicati o perovskiti; � se solido, essendo a base ceramica o vetrosa, preferibilmente essendo scelto tra borosilicati, silicati, allumine o solfuri; - detto secondo anodo (4) è realizzato in materiale carbonioso.
  4. 4. Dispositivo elettrochimico (10) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui detta sostanza attiva (13) è infusa in detto unico catodo (11) in una quantità superiore a 10% in peso ed in cui detta sostanza attiva (13) in detto unico catodo (11) in prossimità di detto primo elettrolita (5) è presente in una concentrazione superiore di almeno il 5% rispetto alla concentrazione di detta sostanza attiva (13) in prossimità di detto primo anodo (3).
  5. 5. Dispositivo elettrochimico (10) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, comprendente inoltre una membrana protettiva (20) interposta tra detto primo anodo (3) e detto primo elettrolita (5).
  6. 6. Dispositivo elettrochimico (10) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, comprendente inoltre un materiale a base ossido (21) posto sulla superficie di detto unico catodo (11) dal lato contiguo a detto secondo elettrolita (6).
  7. 7. Dispositivo elettrochimico (10) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, comprendente inoltre uno strato aggiuntivo (22), di carbonio poroso o di un ossido, posto sulla superficie di detto unico catodo (11) dal lato opposto a detto secondo elettrolita (6).
  8. 8. Dispositivo elettrochimico (10) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni in grado di accumulare e fornire contemporaneamente livelli di alta energia, vale a dire livelli di energia superiori a 500 Wh/kg, e livelli di alta potenza, vale a dire livelli di potenza superiori a 1.000 W/kg, facendo autonomamente fluire la corrente nella cella elettrochimica (1) o nel supercapacitore (2) in base alle necessità energetiche, così realizzando la commutazione automatica di detto dispositivo elettrochimico (10).
  9. 9. Veicolo elettrico comprendente almeno un dispositivo elettrochimico (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8.
  10. 10. Sistema di accumulo di energie rinnovabili comprendente almeno un dispositivo elettrochimico (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8.
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