IT202000005482A1 - Elettrodo per batteria a flusso e metodo di produzione - Google Patents
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Description
Descrizione dell'Invenzione Industriale dal titolo:
?ELETTRODO PER BATTERIA A FLUSSO E METODO DI PRODUZIONE? DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad un elettrodo per una batteria a flusso e ad un metodo di produzione di detto elettrodo; in particolare, la presente invenzione si riferisce ad un elettrodo per una batteria a flusso di vanadio e al relativo metodo di produzione di detto elettrodo, ossia una batteria in cui almeno uno dei due elettroliti contiene ioni di vanadio.
Come ? noto, la potenza elettrica massima erogabile da una batteria a flusso ? praticamente indipendente dalla capacit? elettrica di detta batteria; infatti, la potenza elettrica massima ? dovuta alle caratteristiche della cella (ossia la dimensione degli elettrodi e le loro caratteristiche chimico fisiche, la dimensione ed il tipo della membrana a scambio ionico interposta tra i due elettrodi e le due soluzioni elettrolitiche utilizzate, il numero di elettrodi impiegati per semi-cella e altro), mentre la capacit? elettrica ? principalmente dovuta al tipo di elettrolita e specie redox utilizzati e alla loro quantit? totale immagazzinata nei serbatoi. ?, quindi, possibile affermare che una batteria a flusso consente di rendere indipendente la potenza elettrica massima erogabile da detta batteria dalla sua capacit? elettrica.
Questa peculiarit? rende possibile fare un miglior dimensionamento della batterie a flusso per specifiche applicazioni, come ad esempio l?accoppiamento ad impianti che sfruttano fonti rinnovabili (come ad esempio impianti fotovoltaici, eolici, idroelettrici, a marea o altro); infatti, le fonti rinnovabili sono caratterizzate da un rapporto potenza/energia che presenta un andamento stagionale (in particolare per gli impianti fotovoltaici ed eolici), ossia la potenza massima viene quasi sempre raggiunta in ogni stagione ma l?energia prodotta nel corso della giornata varia a seconda del periodo dell?anno.
Allo stato attuale, le batterie a flusso hanno una densit? di energia inferiore a quella delle batterie agli ioni di litio, la cui capacit? ? per? correlata alla potenza massima e tende a diminuire con l?invecchiamento delle batterie stesse. Inoltre, la dimensione dei singoli elementi di una batteria al litio ? dettata dalle normative per la sicurezza e dalle esigenze di raffreddamento.
Nell?articolo ?GONZ?LEZ, Zoraida, et al. Carbon nanowalls thin films as nanostructured electrode materials in vanadium redox flow batteries. Nano Energy, 2012, 1.6: 833-839.? viene descritta una soluzione che prevede la creazione di nano pareti di carbonio (carbon nanowalls - NCWs) su di un elettrodo d?oro, in modo da aumentare la superficie di reazione dell?elettrodo; tale elettrodo ? poi impiegato in una semi-cella positiva di una batteria al flusso di vanadio. Questa soluzione consente di aumentare la compattezza dell?elettrodo, ma non consente aumentare la cinetica delle reazioni di ossidoriduzione sulla superficie di detto elettrodo. Pertanto, questa soluzione, oltre che essere economicamente non conveniente per la necessit? di impiegare un elettrodo d?oro, non consente di aumentare in maniera significativa la potenza specifica di una batteria a flusso di vanadio.
La presente invenzione si propone di risolvere questi ed altri problemi mettendo a disposizione un elettrodo per una batteria a flusso.
Inoltre, la presente invenzione si propone di risolvere questi ed altri problemi mettendo a disposizione anche un metodo per la produzione di un elettrodo per una batteria a flusso.
L?idea alla base della presente invenzione ? di produrre ed utilizzare un elettrodo comprendente una porzione atta ad essere messa in contatto con una soluzione elettrolitica di una batteria a flusso, dove detta porzione ha una struttura mesoporosa (ossia una struttura contenente pori di diametro compreso all?incirca tra 1 e 100 nanometri) realizzata da particelle di materiale elettricamente conduttivo aventi dimensioni nanometriche e tale da aumentare la cinetica delle reazioni di ossidoriduzione in un flusso di detta soluzione elettrolitica e/o il numero di siti attivi ad unit? di superficie e/o la superfice dell?elettrodo, cos? da generare un aumento di corrente prodotta per unit? di superfice proiettata dell?elettrodo.
L?utilizzo di particelle nanometriche di materiale elettricamente conduttivo per costituire una struttura mesoporosa di un elettrodo per una batteria a flusso produce l?effetto tecnico di consentire ad un flusso di elettrolita il passaggio attraverso detto elettrodo e, allo stesso tempo, di aumentare il numero di siti attivi ad unit? di superficie dell?elettrodo su cui vengono scambiati gli elettroni, di aumentare la superfice dell?elettrodo a contatto con l?elettrolita e di aumentare la cinetica delle reazioni di ossidoriduzione (che avvengono sulle superfici degli elettrodi in contatto con le soluzioni elettrolitiche durante il normale processo di carica/scarica della batteria a flusso) in detto flusso, ossia producendo vantaggiosamente un fenomeno di elettrocatalisi in un elettrolita che fluisce attraverso l?elettrodo secondo l?invenzione. In altre parole, l?invenzione produce l?effetto tecnico di aumentare la quantit? nell?unit? di tempo di reazioni di ossidoriduzione in un flusso di soluzione elettrolitica, aumentando cos? la densit? di corrente per unit? di superficie proiettata dell?elettrodo.
Questo consente di aumentare vantaggiosamente la densit? di potenza in una batteria a flusso; in particolare, una forma realizzativa preferita dell?elettrodo secondo l?invenzione ? in grado di generare una corrente ad unit? di superficie tripla (con un rendimento superiore all?80%) rispetto a quella generata da un elettrodo secondo l?arte nota.
Inoltre, l?elettrocatalisi produce anche una vantaggiosa riduzione del sovrapotenziale (overpotential) dell?elettrodo, rendendo cos? possibile aumentare la densit? di corrente della batteria; infatti, la riduzione del sovrapotenziale dell?elettrodo ha come effetto macroscopico quello di ridurre la resistenza interna della batteria (intesa non solamente come resistenza ohmica ma anche come resistenza elettrochimica) e, quindi, anche la caduta di tensione interna di detta batteria. Infatti, prove sperimentali hanno dimostrato che l?utilizzo come polo negativo dell?elettrodo secondo l?invenzione consente di sfruttare le singole celle di una batteria a flusso di vanadio nell?intervallo di 1,0-1,8 Volt ad una corrente di scarica/carica almeno doppia rispetto alle batterie secondo lo stato dell?arte. Infatti, questo ? possibile perch? la riduzione del sovrapotenziale consente di ridurre vantaggiosamente la quantit? di idrogeno ed ossigeno che si pu? generare quanto si applicano elevate correnti in fase di caria o scarica, permettendo cos? alla batteria di gestire situazioni particolari in cui ? necessario assorbire od erogare correnti di intensit? elevata.
In questo modo, l?utilizzo delle batterie a flusso diventa maggiormente conveniente rispetto alle batterie a flusso secondo lo stato dell?arte, ad esempio in applicazioni che prevedono l?impiego di tali batterie in grossi impianti di produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili, come impianti fotovoltaici, eolici o altro, dove la produzione di energia elettrica ha un andamento fortemente variabile.
Inoltre, un elettrodo secondo l?invenzione consente di ridurre la sua ossidazione e/o la formazione di idrogeno o di ossigeno sulla sua superficie e, quindi, di ridurre vantaggiosamente la sua degradazione, permettendo cos? di mantenere inalterate le prestazioni della batteria a flusso per un numero maggiore di cicli di scarica e carica rispetto agli altri tipi di batteria.
Ulteriori caratteristiche vantaggiose della presente invenzione sono oggetto delle allegate rivendicazioni.
Queste caratteristiche ed ulteriori vantaggi della presente invenzione risulteranno maggiormente chiari dalla descrizione di una sua forma di attuazione mostrata nei disegni annessi, forniti a puro titolo esemplificativo e non limitativo, in cui:
? fig. 1 illustra uno schema di funzionamento semplificato di una batteria a flusso comprendente un elettrodo secondo l?invenzione;
? figg. 2a-2c illustrano tre immagini acquisite con un microscopio a scansione elettronica che rappresentano i risultati ottenibili eseguendo un metodo per la produzione secondo l?invenzione a differenti livelli di potenza radiante;
? fig. 3 illustra una rappresentazione schematica dell?elettrodo di fig. 1;
? fig. 4 illustra due differenti tipi di distributori di flusso che possono essere utilizzati nella batteria di fig.
1;
? fig. 5 illustra una rappresentazione schematica dell?elettrodo di figura 1 accoppiato con uno dei distributori di flusso di fig. 4;
? fig. 6 illustra una rappresentazione schematica in sezione dell?elettrodo di fig. 1;
? fig. 7 illustra una rappresentazione schematica in sezione dell?elettrodo di fig. 1 accoppiato con uno dei distributori di flusso di fig. 4;
? fig. 8 illustra un grafico che rappresenta l?andamento della superficie per unit? di massa e della superficie per unit? di volume delle particelle dell?elettrodo di fig. 1 in funzione della potenza delle onde di radiofrequenza utilizzate durante il processo di produzione di detto elettrodo;
? fig. 9 illustra quattro immagini acquisite con un microscopio a scansione elettronica che rappresentano differenti porzioni della forma realizzativa preferita dell?elettrodo secondo l?invenzione a differenti livelli di ingrandimento.
Il riferimento ad "una forma di attuazione" all'interno di questa descrizione sta ad indicare che una particolare configurazione, struttura o caratteristica ? compresa in almeno una forma di attuazione dell'invenzione. Quindi, i termini "in una forma di attuazione" e simili, presenti in diverse parti all'interno di questa descrizione, non sono necessariamente tutti riferiti alla stessa forma di attuazione. Inoltre, le particolari configurazioni, strutture o caratteristiche possono essere combinate in ogni modo adeguato in una o pi? forme di attuazione. I riferimenti utilizzati nel seguito sono soltanto per comodit? e non limitano l'ambito di tutela o la portata delle forme di attuazione.
Con riferimento a fig. 1, verr? ora descritta una batteria B comprendente almeno un elettrodo 1 secondo l?invenzione; tale elettrodo 1 ha una forma preferibilmente planare.
Si evidenzia che, in questa descrizione, con il termine ?elettrodo? si intende il componente di una batteria sulla cui superficie avvengono reazioni di ossidoriduzione durante la carica o la scarica di detta batteria.
La batteria B comprende una porzione negativa B1 ed una porzione positiva B2, dove la porzione negativa B1 comprende una semi-cella negativa S1, un primo serbatoio T1 ed una prima pompa P1, e dove la porzione positiva B2 comprende una semicella positiva S2, un secondo serbatoio T2 ed una seconda pompa P2.
La semi-cella negativa S1 ? in comunicazione di flusso con il primo serbatoio T1 mediante un primo condotto di mandata D1 ed un primo condotto di ritorno R1, dove detto primo serbatoio T1, i condotti D1,R1 e la semi-cella negativa S1 contengono una prima soluzione elettrolitica, e dove la prima pompa P1 ? preferibilmente posizionata lungo il primo condotto di mandata D1, cos? che detta prima pompa P1 generi, quando ? in una condizione di funzionamento, un flusso di detta prima soluzione elettrolitica all?interno della semi-cella negativa S1.
In maniera simile alla semi-cella negativa S1, la semi-cella positiva S2 ? in comunicazione di flusso con il secondo serbatoio T2 mediante un secondo condotto di mandata D2 ed un secondo condotto di ritorno R2, dove detto secondo serbatoio T2, i condotti D2,R2 e la semi-cella positiva S2 contengono una seconda soluzione elettrolitica, e dove la seconda pompa P2 ? preferibilmente posizionata lungo il secondo condotto di mandata D2, cos? che detta seconda pompa P2 generi, quando ? in una condizione di funzionamento, un flusso di detta seconda soluzione elettrolitica all?interno della semi-cella positiva S2.
La batteria B2 comprende anche una membrana di scambio ionico (come ad esempio una membrana di Nafion o altro materiale) comprendente una prima ed una seconda faccia, dove dette facce sono rispettivamente lambite dalla prima soluzione elettrolitica contenuta nella semi-cella negativa S1 e dalla seconda soluzione elettrolitica contenuta nella semi-cella positiva S2.
Inoltre, almeno una delle semi-celle di reazione S1,S2 comprende l?elettrodo 1 secondo l?invenzione. Nella forma realizzativa preferita, la semi-cella negativa S1 comprende tale elettrodo 1, mentre la semi-cella positiva S2 preferibilmente comprende un elettrodo convenzionale secondo lo stato dell?arte (come ad esempio un elettrodo in carbonio) oppure un elettrodo 1 secondo l?invenzione. A detti elettrodi pu? essere collegato almeno un carico elettrico L e/o un generatore G.
La prima e la seconda soluzione elettrolitica sono preferibilmente delle soluzioni contenenti ioni di vanadio. Questo consente vantaggiosamente di utilizzare una soluzione di partenza identica sia per la porzione negativa B1 che per la porzione positiva B2; tale soluzione di partenza ? ad esempio una soluzione acquosa di solfato di vanadio (formula bruta VOSO4). Infatti, ? da notare che l?elemento vanadio ha cinque stati di ossidazione (+1, 2, 3, 4, 5) di cui quattro (+2, 3, 4, 5) effettivamente sfruttabili per uso elettrochimico. Questo rende possibile, partendo da detta soluzione di partenza ed utilizzando metodi ben noti allo stato dell?arte, realizzare la prima soluzione elettrolitica avente il vanadio negli stati di ossidazione 2 e/o 3 (porzione negativa B1) e la seconda soluzione elettrolitica avente il vanadio negli stati di ossidazione 4 e/o 5 (porzione positiva B2).
Quando la batteria B ? in una condizione di funzionamento e il generatore G sta ricaricando la batteria B, il vanadio presente nella prima soluzione elettrolitica (porzione negativa B1) si riduce e, assorbendo elettroni, passa dallo stato di ossidazione 3 a 2, mentre il vanadio presente nella seconda soluzione (porzione positiva B2) si ossida e, cedendo elettroni, passa dallo stato di ossidazione 4 (VO<2+>) a 5 (VO2<+>).
Quando la batteria B ? in una condizione di funzionamento e il carico elettrico L sta scaricando la batteria B, il vanadio presente nella prima soluzione elettrolitica (porzione negativa B1) si ossida e, cedendo elettroni, passa dallo stato di ossidazione 2 a 3, mentre il vanadio presente nella seconda soluzione (porzione positiva B2) si riduce e, assorbendo elettroni, passa dallo stato di ossidazione 5 (VO2<+>) a 4 (VO<2+>).
Resta comunque possibile utilizzare soluzioni elettrolitiche differenti tra loro o di altra natura (acquose o con solvente organico e contenenti specie attive quali ioduri, solfuri e bromuri, metalli alcalini (Litio, Sodio, ecc.) o di transizione (Ferro, Cromo, Titanio, Stagno, Zinco, Cerio, Manganese, ecc.) o molecole organiche e polimeri redox (chinoni, metil viologeno, ACA, ferrocianuri, TEMPO, PANI, PNB-g-PTMA, politiofeni) o particelle solide o altro), senza allontanarsi dagli insegnamenti della presente invenzione.
Le soluzioni elettrolitiche utilizzate comprendono un solvente che ? preferibilmente acqua. In combinazione o in alternativa all?acqua come solvente, ? possibile anche utilizzare un solvente organico (ad esempio acetonitrile, dimetilsolfossido, carbonato di propilene, l?etilcarbonato, diossolano o altro) o liquidi ionici (ad esempio cloruro di 1-etil-3-metilimidazolo (EMICl)/FeCl3/FeCl2, tetrabutilammonio esafluorofosfato (TEAPF6), 1-etil-3-metil imidazolo esafluorofosfato (EMIPF6)).
L?elettrodo 1 secondo l?invenzione comprende una prima porzione avente una struttura (fisica) mesoporosa, ossia avente una struttura comprendente pori di diametro compreso all?incirca tra 1 e 100 nanometri, dove detta prima porzione ? atta ad essere messa in contatto con una delle soluzioni elettrolitiche di detta batteria B, ed ? realizzata da particelle di materiale elettricamente conduttivo aventi dimensioni nanometriche. La porosit? di detta prima porzione ? tale da permettere la diffusione di un flusso di soluzione elettrolitica al suo interno ed aumentare vantaggiosamente la quantit? nell?unit? di tempo di reazioni di ossidoriduzione in detto flusso, dove detto flusso ? preferibilmente generato da una delle pompe P1,P2.
In questo modo, ? possibile aumentare vantaggiosamente la densit? di potenza in una batteria a flusso.
La prima porzione dell?elettrodo 1 pu? costituire l?intero corpo di tale elettrodo 1, ossia la (prima) porzione mesoporosa pu? essere impiegata come elettrodo indipendente. Nella forma realizzativa preferita dell?invenzione, detta porzione mesoporosa pu? essere supportata da altri elementi strutturali della batteria B, come ad esempio elettrodi realizzati in fibra di carbonio disponibili in commercio o da altri substrati, come ad esempio i substrati ottenuti per la diffusione di gas (gas diffusion layers - GDL - ad esempio il substrato Sigracet? 29AA), membrane, captatori di corrente (current collectors), schiume e/o maglie metalliche/polimeriche, materiali ottenuti mediante elettrofilatura (elettrospun) o altri tipi materiali disponibili in commercio.
Come verr? meglio descritto in seguito, la forma realizzativa preferita dell?elettrodo 1 comprende una seconda porzione, dove detta prima porzione ? vincolata a detta seconda porzione, in modo che detta seconda porzione funga da supporto a detta prima porzione. In altre parole, detta seconda porzione supporta detta prima porzione.
In questo modo, ? possibile aumentare vantaggiosamente la densit? di potenza e di energia in una batteria a flusso gi? disponibile in commercio, poich? si riesce a ridurre il sovrapotenziale dell?elettrodo, in quanto si riesce a favorire il trasporto dell?elettrolita verso la prima porzione dell?elettrodo e/o aumentare la cinetica di reazione.
Le particelle di materiale elettricamente conduttivo aventi dimensioni nanometriche possono essere delle nanoparticelle zerodimensionali (nanoparticles 0D) e/o bidimensionali (nanoplatelets 2D). Si evidenzia che anche una miscela di particelle zerodimensionali e bidimensionali pu? essere impiegata.
Preferibilmente, tali nanoparticelle possono essere realizzate in un qualunque materiale conduttore, come ad esempio un materiale compreso in una delle seguenti classi di composti: carbonio, metalli, nitruri, boruri, carburi, ossidi, calcogenuri o altro. Pi? preferibilmente, tali nanoparticelle possono comprendere nitruro di carbonio (C3N4), composti di carbonio e azoto (CNx con 0<x<4/3), grafene, ossido di grafene ridotto, nanoparticelle di carbonio, nanotubi di carbonio, fullereni, nitruro di titanio (TiN), ossinitruri di titanio, ossidi di titanio (TiOx 0<x<2), ossidi di molibdeno (MoOx con 0<x<3), ossidi di tungsteno (WOx 0<x<3), ossinitruri di tungsteno, nitruro di tungsteno, ossidi di stagno (SnOx 0<x?2), indio ed ossidi di indio, ossido di iridio (IrO2), rutenio e ossido di rutenio, bismuto e suoi ossidi, boruri, nitruri, carburi e calcogenuri, tellurio, manganese, niobio, ittrio, zirconio, hafnio, gallio, piombo, lantanio, cerio e/o altri lantanidi, titanio, molibdeno, tungsteno, ferro, nichel, alluminio.
Con riferimento anche alla fig. 2, nella forma di realizzazione preferita dell?invenzione le particelle conduttive sono nanoparticelle di carbonio; tali nanoparticelle di carbonio hanno una struttura a cipolla (onion like structure), ossia dette particelle hanno una struttura a strati concentrici 11. Si ? notato che questo tipo di struttura favorisce sorprendentemente l?elettrocatalisi in un flusso di elettrolita, permettendo cos? di aumentare vantaggiosamente la densit? di potenza e di energia della batteria B.
Si ? notato che l?elettrocatalisi risulta essere ancora migliore (ossia la quantit? nell?unit? di tempo di reazioni di ossidoriduzione aumenta ulteriormente), quando dette particelle hanno una dimensione (ossia un diametro) compresa tra 1 e 50 nanometri, e ancor di pi? preferibilmente quando la dimensione ? compresa tra 4 e 5 nanometri.
L'assemblaggio delle particelle (ad esempio mediante un getto supersonico e successivo trattamento termico in vuoto o atmosfera controllata) fornisce un certo grado di porosit? all'interno della prima porzione dell'elettrodo 1. La porosit? risultante da questo assemblaggio di particelle pu? essere compresa nell'intervallo da 1 a 50 nanometri, ossia i pori che si formano possono avere un diametro compreso tra 1 a 50 nanometri.
Pi? in dettaglio, si evidenzia come la dimensione media dei pori pu? essere definita in funzione dell'impedenza sterica delle specie attive impiegate nella batteria, dove con specie attive si intendono gli ioni che partecipano alle reazioni di ossidoriduzione che consentono di immagazzinare e successivamente erogare energia elettrica. In particolare, la dimensione media dei pori pu? essere selezionata tra 1 e 10 nanometri nel caso nell?elettrolita utilizzato siano presenti come specie attive il vanadio e/o altre specie ioniche o molecole redox attive con massa molare inferiore a 1000 grammi/mole, come ad esempio i composti della famiglia dei chinoni (benzochinoni, antrachinoni, o altro), degli alcossibenzeni, dei derivati del 2,2,6,6-tetrametil-1-piperidinilossi (TEMPO), il N-metilftalimide o similari.
Nel caso si utilizzino specie redox di grande peso molecolare, in particolare di particelle di polimeri (come ad esempio derivati della polianilina, del poli(vinilbenziletilviologeno), della classe di polimeri detti ?bottlebrush?, del 2,2,6,6-tetrametil-1-piperidinilossi (TEMPO), politiofeni, polimeri idrosulubili come i polimetacrilati e i polistireni, boro-dipirrometeni, o altro) ? possibile utilizzare pori aventi un diametro medio compreso tra i 10 e i 100 nm.
La dimensione del poro pu? altres? essere adattata alla viscosit? dell?elettrolita, ad esempio pori aventi un diametro medio compreso tra 1 e 10 nanometri sono maggiormente adatti a soluzioni elettrolitiche a bassa viscosit?, mentre pori aventi un diametro medio compreso tra i 10 ed i 100 nanometri sono adatti a soluzioni elettrolitiche ad alta viscosit?.
Inoltre, la dimensione del poro pu? essere scelta in modo da adeguarsi all?ingombro sterico della specie attiva e alla viscosit? dell?elettrolita.
Utilizzando le porosit? e gli elementi attivi sopra indicati ? possibile aumentare le reazioni di ossidoriduzione. In questo modo, ? possibile aumentare vantaggiosamente la densit? di potenza e di energia in una batteria a flusso gi? disponibile in commercio.
Con riferimento anche a fig. 3, verr? ora descritta una possibile forma di realizzazione dell?elettrodo 1. L?elettrodo 1 comprende una prima porzione 12 e una seconda porzione 13, dove detta prima porzione ? realizzata prevalentemente in particelle 11 di carbonio con una struttura a strati concentrici, e dove la seconda porzione 13 ? preferibilmente un elettrodo in carbonio secondo lo stato dell?arte.
Si evidenzia che, per esigenze di descrizione, la seconda porzione ? rappresentata schematicamente come uno strato planare, cos? da meglio evidenziare graficamente gli aspetti relativi alla porosit? della prima porzione 12, senza subire la complicazione dovuta alla struttura (fibrosa) della fibra di carbonio che preferibilmente costituisce la seconda porzione 13 dell?elettrodo 1.
Lo spessore di detta prima porzione 12 ? compreso tra 0,01 ?m e 1000 ?m, e preferibilmente tra 0,1 ?m e 50 ?m. Ancor pi? preferibilmente, lo spessore di detta prima porzione dell?elettrodo ? compreso tra 0,5 ?m e 10 ?m. Secondo una forma di realizzazione preferita, lo spessore della prima porzione 12 dell?elettrodo ? compreso tra 1 ?m e 6 ?m.
Indipendentemente dalle specie attive di partenza impiegate, la porosit? interna pu? essere variata lungo una profondit? D della prima porzione 12 di detto elettrodo 1 fino ad una profondit? compresa tra il 10% ed il 90% dello spessore totale di detta prima porzione.
Pi? nel dettaglio, la porosit? varia lungo la profondit? D di detta prima porzione 12, preferibilmente la porosit? varia secondo un gradiente compreso tra 0% e 80% ogni 100 nanometri. Questo gradiente permette di aumentare le reazioni di ossidoriduzione nelle zone della prima porzione 12 dell?elettrodo 1 che si trovano nei pressi della seconda porzione 13 dell?elettrodo 1, dove la concentrazione degli ioni che possono ossidarsi o ridursi ? minore e, quindi, la porosit? deve essere minore; tali zone si trovano nei pressi della seconda porzione 13 dell?elettrodo 1, poich? in tali zone l?elettrolita ha gi? incontrato le particelle pi? esterne della prima porzione 12 dell?elettrodo 1 e, quindi, ha gi? subito una diminuzione della concentrazione di ioni pronti ad ossidarsi o ridursi.
Questo permette di ridurre le differenze di potenziale elettrico tra la superficie della prima pozione 12 dell?elettrodo 1 pi? lontana dalla seconda porzione 13 e la superficie di detta prima porzione 12 pi? vicina a detta seconda porzione 13, cos? da minimizzare vantaggiosamente l?intensit? delle correnti elettriche interne all?elettrodo 1 che peggiorano l?efficienza dell?elettrodo 1, riducendone la corrente massima trasportabile.
Inoltre, la presenza di questo gradiente consente di favorire il flusso di elettrolita, permettendo a detto elettrolita di permeare al massimo la prima porzione 12 dell?elettrodo 1. Questo permette vantaggiosamente di utilizzare un elettrodo avente un?elevata superficie di contatto con elettrolita e, allo stesso tempo, un costante ricambio dell?elettrolita.
In questo modo, ? possibile aumentare vantaggiosamente la densit? di potenza e di energia in una batteria a flusso.
In alternativa o in combinazione a quanto appena descritto, la porosit? e lo spessore della prima porzione 12 possono essere variati lungo una lunghezza L e/o una profondit? D dell?elettrodo 1.
In particolare, la porosit? pu? variare lungo la lunghezza L di detta prima porzione, preferibilmente di un valore percentuale compreso tra 0% ed 80% rispetto ad un valore di porosit? prefissato per ogni millimetro della lunghezza L dell?elettrodo 1, e/o la porosit? pu? variare lungo la profondit? D dell?elettrodo 1, preferibilmente di un valore percentuale compreso tra 0% e 80% rispetto al valore di porosit? prefissato ogni 1 micron della profondit? D dell?elettrodo 1.
Inoltre, anche questo gradiente permette di minimizzare il sovrapotenziale delle reazioni di ossidoriduzione nelle zone della prima porzione 12 dell?elettrodo 1 dove la concentrazione degli ioni che possono ossidarsi o ridursi ? minore e, pertanto, necessitano di una porosit? minore e, quindi, di maggiore superficie attiva, ossia di un maggior numero di siti attivi; tali zone si trovano nella zona dell?elettrodo 1 che viene lambita dal flusso di elettrolita per ultima, poich? in tali zone l?elettrolita ha gi? incontrato buona parte della prima porzione 12 e, quindi, ha gi? subito una diminuzione della concentrazione di ioni pronti ad ossidarsi o ridursi.
In questo modo, ? possibile aumentare vantaggiosamente la densit? di potenza e di energia in una batteria a flusso.
La prima porzione 12 dell'elettrodo 1 ha una superficie specifica (preferibilmente misurata secondo il metodo BET) di almeno 500 m<2>/g, preferibilmente di almeno 600 m<2>/g, e ancor pi? preferibilmente di 610 m<2>/g, ed un fattore di rugosit? (ossia la superfice ad unit? di volume) di almeno 20 ?m<-1>, preferibilmente di almeno 200 ?m<-1>, e ancor pi? preferibilmente di 285 ?m<-1>.
Come nel caso della dimensione e della porosit? delle particelle, il fattore di rugosit? potrebbe non essere omogeneo attraverso lo spessore della prima porzione 12 dell'elettrodo 1. Secondo una forma di realizzazione preferita, il fattore di rugosit? di detta prima porzione 12 pu? variare, secondo un gradiente, da 20 a 500 ?m<-1>. Questo permette di mantenere omogenea e/o constante la reazioni di ossidoriduzione nelle differenti zone della prima porzione 12 dell?elettrodo 1 al variare della concentrazione degli ioni pronti ad ossidarsi o ridursi.
In questo modo, ? possibile aumentare vantaggiosamente la densit? di potenza e di energia in una batteria a flusso.
Come gi? descritto in precedenza, le particelle di carbonio che costituiscono la prima porzione 12 dell'elettrodo 1 hanno una struttura a strati sovrapposti con un diametro compreso preferibilmente tra i 2 ed i 100 nanometri, e ancor pi? preferibilmente tra 3 e 7 nanometri. Inoltre, la prima porzione 12 dell'elettrodo 1 presenta uno spessore preferibilmente compreso tra 0,1 e 100 ?m, e ancor pi? preferibilmente compreso tra 1 e 10 ?m. Lungo tale spessore ? presente una porosit? tra le nanoparticelle assemblate nell'intervallo di 1-100 nm. La prima porzione 12 ? supportata dalla seconda porzione che preferibilmente comprende un elettrodo commerciale in fibra di carbonio.
Con riferimento anche a fig. 4, l?elettrodo 1 secondo l?invenzione ? preferibilmente accoppiato con un distributore di flusso, come ad esempio un distributore di flusso di tipo a serpentina 21 (serpentine flow distributor) oppure un distributore di flusso di tipo interdigitato 22 (interdigitate flow distributor).
Il distributore di flusso 21,22 permette di distribuire il flusso di elettrolita sull?elettrodo 1 dopo che detto flusso di soluzione elettrolitica fuoriesce da uno dei serbatoi T1,T2 per azione di una delle pompe P1,P2. Si evidenzia che come distribuzione del flusso di soluzione elettrolitica sull?elettrodo 1 si intende far diffondere detta soluzione elettrolitica attraverso la maggior parte di volume poroso di detto elettrodo 1.
Quando l'elettrodo 1 viene impiegato come polo negativo in una batteria a flusso in cui gli elettroliti contengono ioni di vanadio, la densit? di potenza ottenibile ? strettamente correlata alla combinazione dei fattori quali spessore dell?elettrodo e tipologia di distributore di flusso accoppiato a detto elettrodo.
Nel caso sia utilizzato il distributore di flusso di tipo a serpentina 21, lo spessore della prima porzione 12 di detto elettrodo 1 ? preferibilmente compreso tra 0,5 ?m e 5 ?m, e ancor pi? preferibilmente pari a 1 ?m.
Nel caso sia utilizzato il distributore di flusso di tipo interdigitato 22, lo spessore della prima porzione 12 di detto elettrodo 1 ? preferibilmente compreso tra 2 ?m e 10 ?m, e ancor pi? preferibilmente pari a 4 ?m.
Anche nel caso in cui l'elettrodo 1 ? impiegato come polo positivo in una batteria a flusso in cui gli elettroliti contengono ioni di vanadio, la densit? di potenza ottenibile ? strettamente correlata alla combinazione dello spessore dell?elettrodo e della tipologia di distributore di flusso accoppiato a detto elettrodo. Inoltre, si evidenzia che i migliori risultati in termini di elettrocatalisi si ottengono, in scala minore, con le stesse combinazioni di spessori e distributori di flusso sopra descritte.
L'elettrodo 1 secondo l?invenzione mostra una conduttivit? elettrica superiore a 10<5 >S?m.
Con riferimento alla fig. 5, verr? ora descritto come la soluzione elettrolitica fluisce nell?elettrodo 1 per azione del distributore di flusso di tipo interdigitato 22.
Come ? noto, il distributore di tipo interdigitato 22 comprende almeno una rete di condotti di mandata 221 ed una rete di condotti di scarico 222, che sono aperti verso l?esterno (ossia in condizioni operative verso l?elettrodo 1) ma che non comunicano tra loro direttamente. Questa conformazione del distributore consente vantaggiosamente di generare, quando il distributore 22 ? accoppiato con detto elettrodo 1, almeno un flusso di elettrolita F all?interno della quasi totalit? dell?elettrodo 1. Questo aumenta vantaggiosamente la quantit? nell?unit? di tempo di reazioni di ossidoriduzione all?interno dell?elettrodo 1 quando tra gli elettrodi 1 della batteria B viene fatta circolare una corrente.
In questo modo, ? possibile aumentare vantaggiosamente la densit? di potenza e di energia in una batteria a flusso.
Con riferimento anche alle figure 6 e 7, verr? ora descritta la forma realizzativa preferita dell?elettrodo 1, in cui la seconda porzione 13 dell?elettrodo 1 ? costituita da un elettrodo in fibra di carbonio, ossia quando la seconda porzione 13 comprende una pluralit? di filamenti di carbonio. Per meglio descrivere le caratteristiche tecniche associate alla fibra di carbonio, si evidenzia che nelle figure 6 e 7 sono stati rappresentati i filamenti della fibra in carbonio in sezione, senza per? rappresentare (per maggior chiarezza) i gradienti che sono stati enfatizzati nelle figure 3 e 5.
Almeno uno dei filamenti che costituisce la seconda porzione 13 dell?elettrodo ? ricoperta da uno strato di particelle 11 che costituiscono la prima porzione 12 dell?elettrodo. In altre parole, detta seconda porzione 13 comprende una pluralit? di filamenti di carbonio, e dove detta prima porzione (12) ricopre almeno in parte almeno uno di detti filamenti con uno strato di dette particelle 11.
Questo permette di ridurre il sovrapotenziale dell?elettrodo 1 e, allo stesso tempo, consente di migliorare la resistenza meccanica dell?elettrodo, cos? da aumentare la densit? di corrente e/o energia di una batteria a flusso.
Inoltre, lo strato della prima porzione 12 ha uno spessore S che pu? variare a seconda della posizione del filamento nell?elettrodo 1.
Pi? nel dettaglio, maggiore ? la concentrazione di specie attive nel flusso di elettrolita, minore ? lo spessore S, mentre minore ? la concentrazione di specie attive nel flusso di elettrolita, maggiore ? lo spessore S. In altre parole, lo spessore S dello strato di dette particelle 11 varia lungo una profondit? D e/o una lunghezza L di detto elettrodo 1.
Lo spessore S della prima porzione 12 che circonda la seconda porzione 13 (ossia i filamenti) dell?elettrodo 1 varia preferibilmente di una quantit? compresa tra 10 nanometri e 1000 nanometri per ogni millimetro della lunghezza L e/o di una quantit? compresa tra 10 nanometri e 1000 nanometri per ogni micron di spessore D dell?elettrodo 1.
Inoltre, lo spessore S della prima porzione 12 potrebbe variare attorno allo stesso filamento, ad esempio secondo i gradienti evidenziati nella figura 5.
In questo modo, si riducono le differenze di potenziale elettrico interne all?elettrodo, aumentando vantaggiosamente la corrente elettrica che l?elettrodo 1 riesce ad assorbire o immettere nell?elettrolita, cos? da aumentare vantaggiosamente la densit? di potenza e di energia in una batteria a flusso. L'elettrodo 1 qui descritto pu? essere fabbricato secondo diversi metodi di fabbricazione. In generale, pu? essere impiegato qualsiasi metodo di crescita di un film in grado di depositare nanoparticelle su una superficie con energia cinetica controllata.
Pi? in dettaglio, tale elettrodo 1 pu? essere fabbricato mediante deposizione di nanoparticelle con una sorgente di plasma, sistemi di sputtering, di deposizione laser pulsata (Pulsed Laser Deposition - PLD), di deposizione di vapore chimico potenziata dal plasma (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition - PECVD), spray atmosferici o altro.
In altre parole, un metodo per produrre un elettrodo 1 secondo l?invenzione comprende le seguenti fasi:
a. una fase di sintesi, in cui viene sintetizzata una pluralit? di particelle di materiale elettricamente conduttivo aventi dimensioni nanometriche;
b. una fase di deposizione, in cui detta pluralit? di particelle viene utilizzata per formare la prima porzione di detto elettrodo 1.
L?elettrodo 1 come sopra descritto pu? essere fabbricato creando una sorgente supersonica di nanoparticelle assistita da plasma, come descritto nella pubblicazione di domanda di brevetto internazionale WO 2011/064392 A2 a nome
tale metodo prevede l?utilizzo di un dispositivo in grado di generare, preferibilmente mediante un plasma reattivo, un aerosol di nanoparticelle in una prima camera, separata da una seconda mediante un orifizio sufficientemente piccolo, in modo che, mantenendo le camere a pressioni diverse, si generi un getto di gas contenente particelle sospese e avente velocit? supersonica. Per mantenere la differenza di pressione tra dette camere, un sistema di pompaggio ? collegato ad una delle camere. La camera mantenuta a pi? alta pressione (detta anche ?camera di sintesi?) comprende una coppia di elettrodi alimentati da un generatore di segnale (noto anche con il termine di ?generatore di segnale RF?), creando di fatto uno spazio limitato in cui ? presente un campo elettromagnetico preferibilmente prodotto dal generatore di segnale; tra i due elettrodi (ossia in detto spazio limitato) viene iniettata una miscela di gas comprendente almeno un gas contenente carbonio, come ad esempio acetilene (C2H2). Pi? nel dettaglio, detta miscela ? preferibilmente composta da argon (Ar) per il 99,63% ed acetilene (C2H2) per lo 0,38%. Il generatore di segnale RF ? configurato per generare un segnale avente frequenza preferibilmente pari a 13,56 MHz e potenza di almeno 20 Watt, preferibilmente di 120 Watt. Questo fa s? che le molecole di acetilene che fluiscono tra gli elettrodi vengano dissociate in radicali che, trovandosi in atmosfera inerte di argon (ossia con una quantit? nell?unit? di tempo trascurabile di ossigeno), iniziano a polimerizzare in cluster di pochi atomi e, quindi, in nanoparticelle. Le particelle cos? sintetizzate vengono quindi raccolte dal getto supersonico e accelerate nella camera a pi? bassa pressione (detta anche ?camera di impatto?). Durante il funzionamento, la pressione nella camera di sintesi ? preferibilmente mantenuta a 130 Pascal, mentre quella nella camera di impatto ? preferibilmente mantenuta a 2 Pascal.
In alternativa al generatore di segnale RF ed ai due elettrodi che, quando sono alimentati da detto generatore, producono plasma reattivo, ? possibile utilizzare altri sistemi di riscaldamento, come un filamento caldo (ad esempio riscaldato per effetto Joule) o una lampada ad alta potenza. A seconda della potenza a cui avviene il processo di sintesi delle nanoparticelle di carbonio, queste possono essere grafitiche o idrogenate. Nel secondo caso, questo materiale deve essere sottoposto ad un trattamento termico ad alta temperatura (ossia superiore a 700 ?C, preferibilmente di 1000 ?C), per ottenere un carbonio completamente grafitico.
La deposizione pu? avvenire su un substrato sacrificale (ossia un substrato che successivamente verr? rimosso e, quindi, non far? parte dell?elettrodo 1 finito) oppure pu? avvenire su di un elettrodo commerciale, preferibilmente un elettrodo di fibra di carbonio, ad esempio del tipo Sigracet? 29AA, e ancor pi? preferibilmente su entrambi i lati di detto elettrodo, cos? da vantaggiosamente ottenere la massima copertura del rivestimento.
Nel caso la deposizione avvenga su un elettrodo in fibra di carbonio (ossia su filamenti di carbonio), ? possibile che, nel corso della fase di deposizione, detto elettrodo (ossia la seconda porzione 13) sia ruotato e/o traslato ad una velocit? che ? determinata sulla base dello spessore S della prima porzione 12 che si vuole ottenere. In altre parole, nel corso della fase di deposizione, detta prima porzione 12 viene deposta sulla seconda porzione 13 comprendente una pluralit? di filamenti di carbonio, in modo che detta prima porzione 12 formi uno strato su almeno uno di detti filamenti di carbonio, e dove detta seconda porzione 13 viene ruotata e/o traslata ad una velocit? che ? determinata sulla base di uno spessore desiderato di detto strato.
In questo modo, variando detta velocit?, ? possibile ottenere uno o pi? dei gradienti sopra descritti, cos? da diminuire le differenze di potenziale elettrico interne all?elettrodo 1 e, quindi, aumentare la densit? di corrente e/o energia di una batteria a flusso.
? da notare che le fibre di carbonio che costituiscono l?elettrodo consentono vantaggiosamente al getto di nanoparticelle di attraversare completamente il corpo della seconda porzione 13, permettendo quindi una funzionalizzazione completa dei filamenti. Inoltre, il getto di nanoparticelle pu? essere depositato su entrambi i lati dell?elettrodo iniziale o ruotando l?elettrodo all?interno della camera di impatto una volta funzionalizzata la prima superficie, permettendo cos? di avere tutti i filamenti ricoperti in modo pi? o meno uniforme, oppure con due sorgenti sui due lati dell?elettrodo. Inoltre, ? possibile depositare uno spessore maggiore da un lato, ottenendo cos? uno o pi? dei gradienti descritti in precedenza.
Come gi? descritto sopra, la potenza del segnale RF generato ? preferibilmente compresa tra 20 e 1000 Watt, e ancor pi? preferibilmente ? pari a 120 Watt, mentre la sua frequenza ? preferibilmente di 13,56 MHz. Pi? in generale, la potenza del segnale RF ad unit? di superficie dell?elettrodo 1 ? preferibilmente compresa tra 0,1 e 30 Watt/cm<2>, e ancor pi? preferibilmente tra 1,6 e 8 Watt/cm<2>.
Questo consente di massimizzare la rugosit? (ossia la superficie per unit? di volume) della copertura di particelle nanometriche. Questo effetto pu? essere apprezzato nelle immagini delle figure 2(a)-2(c), che illustrano una prima porzione dell?elettrodo 1 (ossia le particelle a strati concentrici 11 che la costituiscono) prodotta utilizzando rispettivamente come livelli di potenza 20, 70 e 120 Watt su di un elettrodo di dimensioni standard. In figura 8 sono riportati gli andamenti del fattore di rugosit? e della superficie specifica BET al variare del livello di potenza RF. ? possibile notare come l?aumento di potenza RF produca un aumento del fattore rugosit? e una diminuzione della superficie specifica BET, e come il fattore di rugosit? e la superficie specifica BET siano strettamente correlati con la potenza RF erogata.
In altre parole, nel corso della fase di sintesi, la potenza del segnale in radiofrequenza generato in uscita dal generatore di segnale RF ? determinato sulla base di un fattore di rugosit? che descrive una rugosit? (desiderata) della prima porzione 12 dell?elettrodo 1.
Questo permette di controllare il fattore di rugosit?, cos? da diminuire le differenze di potenziale elettrico interne all?elettrodo e, quindi, aumentare la densit? di corrente e/o energia di una batteria a flusso.
In aggiunta o in alternativa a quanto descritto sopra, nel corso della fase di deposizione, ? possibile variare e/o controllare un fattore di rugosit?, che descrive la densit? di area attiva per unit? di volume della prima porzione 12 dell?elettrodo 1 (ossia dell?assemblato di nanoparticelle), facendo impattare un flusso di dette particelle contro la prima porzione 12 dell?elettrodo 1 ad una velocit? determinata sulla base di un fattore di rugosit? desiderato che descrive la densit? di area attiva desiderata per unit? di volume della prima porzione 12 dell?elettrodo 1. La velocit? pu? essere determinata e/o controllata variando la temperatura della camera di sintesi e/o dell?elettrodo 1 posizionato nella camera di impatto, e/o variando la differenza di pressione tra dette camere, e/o la distanza tra la superficie dell?elettrodo 1 sulla quale avviene la deposizione e l?ugello da cui escono le nanoparticelle e/o altro.
In questo modo, controllando il fattore di rugosit?, ? possibile diminuire le differenze di potenziale elettrico interne all?elettrodo e, quindi, aumentare la densit? di corrente e/o energia di una batteria a flusso.
In figura 9 ? possibile vedere (a diversi gradi di ingrandimento) un elettrodo 1 comprendente una prima porzione con un fattore di rugosit? di 285 ?m<-1 >depositata sulla seconda porzione 13 costituita da un elettrodo di tipo 29AA impiegato come substrato di supporto. Questo elettrodo ? stato testato in condizioni di lavoro reali per essere utilizzato in una batteria a flusso avente il vanadio come elemento attivo.
Queste prove hanno evidenziato che un elettrodo secondo l?invenzione avente uno spessore di 4 ?m e accoppiato ad un distributore di flusso interdigitato fornisce il pi? alto valore di corrente per unit? di superficie in contatto con la soluzione elettrolitica, mentre un elettrodo secondo l?invenzione avente uno spessore di 1 ?m e accoppiato ad un distributore di flusso a serpentina fornisce il pi? alto valore di corrente per unit? di superficie in contatto con la soluzione elettrolitica.
Pi? nel dettaglio, ? stata testata una cella avente come polo negativo un elettrodo 1 secondo l?invenzione accoppiato ad un distributore di flusso interdigitato 22, dove detto elettrodo ha una prima porzione 12 avente uno spessore di 4 ?m, e come polo positivo un elettrodo secondo lo stato dell?arte accoppiato con un secondo distributore di flusso interdigitato 22. Effettuando cicli di carica-scarica, ? stato possibile evidenziare che l'elettrodo 1 accoppiato con il distributore di flusso interdigitato 22 pu? ridurre la sovrapotenziale rispetto ad un elettrodo non trattato.
Pertanto, a parit? di corrente di scarica, l?accoppiamento dell?elettrodo 1 secondo l?invenzione con il distributore di flusso interdigitato 22 pu? aumentare l'efficienza e prolungare la profondit? di scarica, aumentando cos? la capacit? (utile) della batteria B.
Calcolando il parametro della resistenza ad alta frequenza (high frequency resistance - HFR) mediante una misurazione della spettroscopia di impedenza elettrochimica (electrochemical impedance spectroscopy - EIS), ? possibile sottrarre il contributo delle perdite ohmiche della membrana di scambio ionico, effettuando la cosiddetta correzione IR. Questa correzione ha permesso di evidenziare che l?elettrodo 1, che ha una superficie a contatto con l?elettrolita di 25 cm<2>, accoppiato con il distributore di flusso interdigitato 22 pu? raggiungere valori molto alti di efficienza, ossia superiori all?80% in presenza di una corrente di scarica per unit? di superficie di 300 mA/cm<2 >in presenza di un flusso di elettrolita avente una portata volumetrica di 100 millilitri al minuto. Si evidenzia che, nelle stesse condizioni di funzionamento, un elettrodo secondo lo stato dell?arte, ossia privo dello strato di nanoparticelle e con la stessa superficie (macroscopica) a contatto con l?elettrolita (25 cm<2>), ha raggiunto un valore di corrente di scarica per unit? di superficie di 100 mA/cm<2 >con un valore di efficienza superiore all?80%. Pertanto, ? possibile triplicare la densit? di potenza di una batteria a flusso di vanadio accoppiando il distributore di flusso di tipo interdigitato 22 con un elettrodo 1 secondo l?invenzione invece che con un elettrodo secondo lo stato dell?arte.
In combinazione a quanto sopra descritto, l'elettrodo 1 potrebbe essere rivestito con uno strato nanometrico (dello spessore di 0,1 - 50 nm) ottimizzato per funzioni specifiche, come ad esempio ridurre la formazione di idrogeno sull'elettrodo del polo negativo e/o aumentare la stabilit? dell'elettrodo ad alte tensioni sull'elettrodo del polo positivo. In generale, il rivestimento pu? essere composto da materiali stabili nelle condizioni di pH e tensione dell?elettrodo positivo o negativo, con elevata attivit? catalitica verso le redox del vanadio e al contempo inattive per l?evoluzione di idrogeno, come grafene, ossido di grafene ridotto, nitruro di titanio (TiN), ossinitruri di titanio, ossidi di titanio (TiOx 0<x<2), ossidi di molibdeno (MoOx con 0<x<3), ossidi di tungsteno (WOx 0<x<3), ossinitruri di tungsteno, nitruro di tungsteno, ossidi di stagno (SnOx 0<x?2), indio ed ossidi di indio, bismuto, tellurio, manganese, niobio, ittrio, zirconio, hafnio, gallio, piombo, lantanio, cerio e/o altri lantanidi, titanio, molibdeno, tungsteno, ferro, alluminio, silicio, germanio, boro, argento ed i loro ossidi, boruri, nitruri, carburi e calcogenuri; sono altres? possibili funzionalizzazioni con gruppi anionici come O, N, F, P, S, Cl, Se, Br, I e loro composti (ad esempio composti di zolfo e ossigeno, di azoto e ossigeno, fosforo e ossigeno, cloro e ossigeno) e molecole funzionali organiche. Tale rivestimento ? scelto per ridurre la degradazione dell?elettrodo 1 e/o la sua reattivit? verso la reazione di ossidazione dell?acqua con produzione di O2 o riduzione della stessa con produzione di H2. Inoltre, i rivestimenti ottimizzati consentono di ridurre il potenziale minimo sull'elettrodo negativo e di aumentare il potenziale massimo su quello positivo, estendendo quindi la finestra della tensione massima nella quale ? possibile far funzionare la batteria. Questo consente di erogare o assorbire vantaggiosamente una pi? elevata corrente elettrica. In questo modo, ? possibile aumentare l?orizzonte di vita della batteria B, rendendo ad esempio possibile compiere in maniera pi? efficace la riduzione dei picchi di domanda (peak shaving), lo spostamento dei carichi (load shifting), l'arbitraggio di mercato, ossia immagazzinare grandi quantit? di energia elettrica quando ? disponibile a basso costo per poi rivenderla ad un prezzo maggiore in un secondo momento, o altro.
Sono ovviamente possibili numerose varianti all?esempio fin qui descritto.
Alcune delle possibili varianti sono state descritte sopra, ma ? chiaro al tecnico del ramo che, nell?attuazione pratica, esistono anche altre forme di realizzazione, con diversi elementi che possono essere sostituiti da altri tecnicamente equivalenti. La presente invenzione non ? dunque limitata agli esempi illustrativi descritti, ma ? suscettibile di varie modifiche, perfezionamenti, sostituzioni di parti e di elementi equivalenti senza comportare scostamenti dall?idea inventiva di base, come specificato nelle seguenti rivendicazioni.
Claims (19)
- RIVENDICAZIONI 1. Elettrodo (1) per una batteria a flusso (B), comprendente una prima porzione (12) che pu? essere messa in contatto con una soluzione elettrolitica di detta batteria (B), dove detta prima porzione (12) ? costituita da particelle (11) di materiale elettricamente conduttivo aventi dimensioni nanometriche, caratterizzato dal fatto che detta prima porzione (12) ? mesoporosa.
- 2. Elettrodo (1) secondo la rivendicazione 1, comprendente una seconda porzione (13) che supporta detta prima porzione (12).
- 3. Elettrodo secondo la rivendicazione 2, in cui detta seconda porzione (13) comprende una pluralit? di filamenti di carbonio, e dove detta prima porzione (12) ricopre almeno in parte almeno uno di detti filamenti con uno strato di dette particelle (11).
- 4. Elettrodo secondo la rivendicazione 3, in cui lo strato di dette particelle (11) ha uno spessore (S) che varia lungo una profondit? (D) e/o una lunghezza (L) di detto elettrodo (1).
- 5. Elettrodo (1) secondo una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui detta prima porzione (12) ? realizzata da particelle di carbonio (11), e dove dette particelle (11) hanno una struttura a strati concentrici.
- 6. Elettrodo (1) secondo la rivendicazione 5, in cui le particelle (11) hanno una dimensione compresa tra 1 e 100 nanometri.
- 7. Elettrodo (1) secondo la rivendicazione 6, in cui le particelle (11) hanno una dimensione compresa tra 3 e 7 nanometri.
- 8. Elettrodo (1) secondo una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 7, in cui la prima porzione (12) comprende pori aventi una dimensione media compresa tra 1 e 100 nanometri.
- 9. Elettrodo (1) secondo una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 8, in cui la prima porzione (12) ha una porosit? che varia lungo una profondit? (D) e/o una lunghezza (L) di detto elettrodo (1).
- 10. Elettrodo (1) secondo una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 9, in cui la prima porzione (12) ha uno spessore compreso tra 0,5 ?m e 10 ?m.
- 11. Elettrodo (1) secondo una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 10, in cui la prima porzione (12) dell'elettrodo (1) ha una superficie specifica di almeno 500 m<2>/g ed una superficie ad unit? di volume di almeno 20 ?m<-1>.
- 12. Batteria a flusso (B) comprendente almeno un elettrodo (1) secondo una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 11,
- 13. Batteria (B) secondo la rivendicazione 12, in cui detto elettrodo (1) ? configurato per funzionare come polo negativo di detta batteria (B).
- 14. Batteria (B) secondo le rivendicazioni 12 o 13, comprendente un distributore di flusso di tipo a serpentina (21) accoppiato con l?elettrodo (1), e dove la prima porzione (12) di detto elettrodo (1) ha uno spessore compreso tra 0,5 ?m e 5 ?m.
- 15. Batteria (B) secondo le rivendicazioni 12 o 13, comprendente un distributore di flusso di tipo interdigitato (22) accoppiato con l?elettrodo (1), e dove la prima porzione (12) di detto elettrodo (1) ha uno spessore compreso tra 2 ?m e 10 ?m.
- 16. Metodo per produrre un elettrodo (1) secondo una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 11, comprendente ? una fase di sintesi, in cui viene sintetizzata una pluralit? di particelle di materiale elettricamente conduttivo aventi dimensioni nanometriche, ? una fase di deposizione, in cui detta pluralit? di particelle viene utilizzata per formare una prima porzione (12) di detto elettrodo (1).
- 17. Metodo secondo la rivendicazione 16, in cui, nel corso della fase di sintesi, detta pluralit? di particelle viene sintetizzata facendo transitare una miscela di gas attraverso uno spazio limitato in cui ? presente un campo elettromagnetico, e dove detta miscela di gas comprende almeno un gas contenente carbonio.
- 18. Metodo secondo la rivendicazione 16 o 17, in cui, nel corso della fase di deposizione, un flusso di dette particelle viene fatto impattare contro la prima porzione (12) dell?elettrodo (1) ad una velocit? che ? determinata sulla base di un fattore di rugosit? che descrive una rugosit? della prima porzione (12) dell?elettrodo (1).
- 19. Metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni da 16 a 18, in cui, nel corso della fase di deposizione, detta prima porzione (12) viene deposta su una seconda porzione (13) comprendente una pluralit? di filamenti di carbonio, in modo che detta prima porzione (12) formi uno strato su almeno uno di detti filamenti di carbonio, e dove detta seconda porzione (13) viene ruotata e/o traslata ad una velocit? che ? determinata sulla base di uno spessore desiderato di detto strato.
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