[ISTEC] Istituto di scienza e tecnologia dei materiali ceramici

RIFERIMENTI

• Coordinatore: Alessandra Sanson,  Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.
• Celle a combustibile ed elettrolizzatori ad ossido solido (SOFC, SOEC): Elisa Mercadelli,  Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.
• Celle solari fotovoltaiche di nuova generazione(Dye-sensitized solar cells-DSSCs) rigide e flessibili: Alex Sangiorgi,  Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo., Nicola Sangiorgi,   Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.
• Sorgenti laser a base ceramica per la produzione di energia da fusione inerziale, Ceramici trasparenti come convertitori di luce in sistemi LED: Laura Esposito,  Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.
• Sistemi ceramici ad accumulo (Batterie ZEBRA, supercapacitori): ElisaMercadelli,  Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo., Nicola Sangiorgi, Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.
• Capacitori sandwich antiferroelettrici ad alta densità di accumulo di energia, Materiali per il recupero di energia (dal movimento, vibrazioni): Carmen Galassi,  Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.
• Assorbitori ultrarefrattari per sistemi solari a concentrazione: Diletta Sciti,  Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.
• Nanopolveri per applicazioni energetiche e tribologiche, Membrane di separazione gas ad alta selettività: Angela Gondolini,  Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.
• Sistemi innovativi di cattura di CO₂: Elena Landi  Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo., Francesco Miccio Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.

Sito istituzionale: www.istec.cnr.it

PRINCIPALI ATTIVITA’ NEL SETTORE ENERGIA

Le attività attualmente in atto presso ISTEC possono essere riassunte come segue:

1. Produzione energetica

Celle a combustibile ad ossido solido (SOFC)

L’attività di ISTEC è principalmente rivolta alla produzione di celle a combustibile per applicazioni stazionarie costituite da strati ceramici e ceramico-metallici (CerMet). Per l’ottenimento di questi sistemi vengono impiegati processi ceramici affidabili e facilmente scalabili a livello industriale come colaggio su nastro, serigrafia, pressatura e spruzzo colloidale che consentano l’ottenimento di multistrati ceramici in modo economicamente vantaggioso e il più possibile eco-compatibile. ISTEC lavora all’ottimizzazione del ciclo di produzione di SOFC delle tre generazioni di celle planari: elettrolita-, elettrodo- e metallo-supportate. Principale obiettivo è l’individuazione delle relazioni che intercorrono tra proprietà iniziali delle polveri, microstruttura ed efficienza elettrochimica del prodotto finale, conoscenze fondamentali per l’ottimizzazione dell’intero processo per la produzione di SOFC. 

Cella finale completa (a sinistra) e sua microstruttura (a destra)

Progetti in corso:

- FCH-JU (2012-) “Evolved materials and innovative design for high performance, durable and reliable SOFC cell and stack” (EVOLVE)

- PRIN (2013-) “Celle a combustibile ad Ossido Solido operanti a temperatura intermedia (IT-SOFC) alimentate a bio-combustibile”

Elettrolizzatori ad ossido solido (SOEC)

Le celle elettrolitiche ad ossidi solidi (SOEC) vengono realizzate depositando i vari strati su di un elemento scelto come supportante e prodotto per colaggio su nastro. Tra le tecniche possibili per la deposizione di strati sul comparto supportante, ISTEC ha scelto di occuparsi principalmente di serigrafia e spray atmosferico, tecniche ben note all’industria elettronica e quindi facilmente scalabili. La semicella (elemento supportante/elettrolita) viene comunemente sinterizzata in “co-firing” per diminuire i costi e semplificare il processo produttivo. Per l’ottenimento della cella completa (elemento supportante/elettrolita/elettrodo) è necessario un ulteriore trattamento termico dopo la deposizione del secondo elettrodo. Per ridurre il tempo di produzione e ed i costi di produzione di tale dispositivo ISTEC ha sviluppato un processo completo di co-firing e sinterizzazione reattiva che permette di produrre un’intera SOEC dalle polveri di partenza mediante un unico trattamento termico. Un’attenta ottimizzazione di tutte le fasi del processo ceramico si è resa quindi necessaria al fine di ottenere di un multistrato poroso/denso/poroso in un unico ciclo di sinterizzazione.

Cella finale completa prodotta mediante tecnica a singolo step (a sinistra) e sua microstruttura (a destra)

Celle solari fotovoltaiche di nuova generazione (Dye-sensitized solar cells-DSSC) rigide e flessibili

Nel Laboratorio DSC (finanziato dalla regione ER) di ISTEC vengono preparate e caratterizzate celle solari di terza generazione di diverse forme e dimensioni. In particolare, l’intera cella DSC ed i suoi componenti vengono caratterizzati dal punto di vista morfologico, profilometrico, elettrochimico e fotovoltaico. L’attività di ricerca su celle rigide prevede lo studio e l’ottimizzazione dei vari elementi della cella in particolare fotoanodo e sigillante, anche se recentemente sono state avviate attività riguardanti elettrolita e controlettrodi alternativi.

Celle e moduli prototipali DSSC

Sono stati inoltre prodotti e testati nuovi sistemi ibridi ceramici-polimeri in grado di superare gli attuali limiti degli elettroliti liquidi combinando ad esempio la coppia Co(bpy)₃ 2+/3+ con agenti gelificanti come PMMA, PEO e nanoclay di silice. Infine vengo realizzati ed applicati contro-elettrodi “Platinum-free” basati su processi elettrochimici a bassa temperatura che coinvolgono polimeri conduttori (polipirrolo). L’attività viene al momento focalizzata alla possibile integrazione di questi dispositivi in condizioni reali (BIPV).

In campo flessibile, l’attività prevede l’integrazione di celle DSSC su substrati polimerici o direttamente su fibra. In collaborazione con altri gruppi ISTEC ed europei sono inoltre studiati possibili processi alternativi (biomorfici) di accrescimento di semincoduttori su fibre naturali o di sintesi e la realizzazione di dispositivi direttamente integrabili su tessuti per uso personale (wearable electronics) o industriale.

Sorgenti laser a base ceramica per la produzione di energia da fusione inerziale

Lo YAG (Y3Al5O12) policristallino dopato con elementi appartenenti alle terre rare, rappresenta una valida alternativa ai singoli cristalli utilizzati come mezzi attivi in dispositivi laser allo stato solido per specifiche applicazioni. Rispetto ai cristalli singoli più comunemente utilizzati, i materiali ceramici a base di YAG policristallino offrono diversi vantaggi quali: alto contenuto di elementi dopanti, minor costo, rapido processo di produzione, possibilità di produrre architetture complesse (strutture stratificate). Questi materiali permettono la realizzazione di sorgenti laser compatte ed altamente efficienti utilizzabili in diverse applicazioni ove richiesta alta energie di potenza come: i) Sistemi laser per applicazioni industriali (Es taglio, saldatura, trattamenti superficiali) in vari settori manufatturieri, di microelettronica ed energetica. ii) Sistemi laser emittenti impulsi ultraveloci e ultraintensi per la diagnosi e la terapia in medicina.

2.  Accumulo energetico

Sistemi ceramici ad accumulo (Batterie ZEBRA, Supercapacitori)

L’attività ISTEC si focalizza principalmente su sistemi di accumulo in fase solida: Batterie zebra da una parte e micro-supercapacitori a matrice ceramica dall’altra. Per quanto riguarda le batterie ZEBRA, l’attività di ISTEC è focalizzata principalmente sulla produzione di membrane ceramiche elettrolitiche planari a base di Na-β’’-Al2O3, al fine di ottimizzarne i processi di produzione e portare alla produzione di elettroliti ad alta densità e con la maggior purezza fasica possibile (in termini di fase beta seconda, la più performante). Attualmente ISTEC è in grado di produrre elettroliti di dimensioni fino a 50 mm con densità superiori al 98% e alta percentuale di fase di interesse, con processi convenzionali. Sono tuttavia alla studio processi non convenzionali (tape casting e serigrafia) che permettano di raggiungere spessori inferiori e diametri maggiori, in modo tale da promuove l’efficienza di cella e aumentare la densità di energia accumulabile.

Per quanto riguarda i supercapacitori, ISTEC attualmente studia e caratterizza micro-supercapacitori elettrochimici con configurazione asimmetrica realizzati con elettrodi basati su TiO2 (anatase) e Grafene Ossido ridotto (RGO), allo scopo di realizzare sistemi ad alta trasparenza integrabili in ambito consumer. Analisi preliminari mostrano capacità nell’ordine di 0,2-0,4 mF/cm2 e quindi di potenziale interesse per le applicazioni target.

Membrana elettrolitica planare a base di Na-β’’-Al2O3.

Progetti in corso

- Accordo per la ricerca di sistema Mise-CNR.

Capacitori sandwich antiferroelettrici ad alta densità di accumulo di energia

I materiali ferroelettrici ( FE) e antiferroelettrici mostrano proprietà elettromeccaniche che li rendono adatti per varie applicazioni nel settore dei condensatori, sensori, generatori (FE) e stoccaggio di energia ad alta densità. Condensatori antiferroelettrici a piastre parallele sono i componenti chiave per accumulo di  energia, diventando sempre più importanti soprattutto in applicazioni di circuiti di potenza a impulsi, per i veicoli ibridi elettrici (HEV ), dispositivi medici, veicoli spaziali e sistemi d'arma elettrici.

Assorbitori ultrarefrattari per sistemi solari a concentrazione

La tecnologia solare termica è una fonte di energia sicura, sostenibile ed economicamente efficiente. Attualmente, la temperatura massima di una centrale solare è <800 K dovuta alla degradazione dei suoi componenti. Tuttavia, l'efficienza dei queste centrali aumenta con l'aumentare delle temperature di esercizio quindi, il problema da risolvere è il miglioramento del ricevitore in termini di proprietà radiative e di stabilità chimica ad alta temperatura. Ultra High Temperature Ceramics (UHTCs, es. boruri e carburi dei primi metalli di transizione) sono considerati una classe di materiali molto promettente come protezione termica per applicazioni spaziali. Un loro nuovo potenziale utilizzo è nel campo delle centrali solari termiche, con la funzione di assorbitori solari.

UHTCs possiedono proprietà favorevoli (punto di fusione elevatissimo, buone proprietà termo-meccaniche alle alte temperature e selettività intrinseca) che possono essere vantaggiosamente sfruttate per aumentare la temperatura di esercizio degli impianti solari termodinamici. ISTEC sviluppa UHTCs densi e porosi, con superfici ad-hoc (ad esempio attraverso il trattamento laser in collaborazione con il CNR-ISC) e ne studia le proprietà ottiche (in collaborazione con INO-CNR).

Progetti in corso:

- National projects: FIRB project SUPERSOLAR “Assorbitori Ceramici Ultra-refrattari per generazione di energia dal solare termodinamico ad altissima temperatura», 2013- 2017 (ISTEC coordinator, Partners: University of Cagliari, INO-CNR)

- European project: STAGE-STE “Scientific and Technological Alliance for Guaranteeing the European Excellence in Concentrating Solar Thermal Energy”, Grant agreement no: 6098373 , 2014- 2017 (ISTEC partner)

3.  Efficientamento energetico

Materiali per il recupero di energia (dal movimento, vibrazioni)

Il recupero di energia (“energy harvesting”) meccanica (da movimento o vibrazioni etc) con materiali piezoelettrici ceramici e l’interconversione di energia immagazzinata in energia elettrica  è essenziale per lo sviluppo di dispositivi autoalimentati (“wireless”). All’ISTEC possono essere sviluppati prototipi di attuatori e sensori piezoelettrici massivi e multistrato, trasformatori di tensione, trasduttori per applicazione nel  recupero di energia meccanica, anche per dispositivi indossabili etc.. I compositi di materiali ferroelettrici e magnetici (“multiferroici”) grazie alla forte potenza di scarica vengono sviluppati per il trasferimento di energia a sistemi di sensori wireless a lunga distanza.

Progetti in corso:

- Progetto Sustainable ManuFacturing nell'ambito del Cluster Intelligent Factory: • OR4. Human Centred Manufacturing o OR4.1 Sviluppo di una tuta da lavoro sensorizzata e cognitiva

- Progetto Monitoraggio a bordo dello stato delle strutture e del loro livello di degrado nell'ambito WP1, A1.3 del Progetto Bandiera Ritmare

- Italia Romania Bilateral Project: Study and Development of Single-Phase Multiferroic Perovskite Ceramic and Thin Films for Multifunctional Devices

Nanopolveri per applicazioni energetiche e tribologiche

La realizzazione di manufatti ceramici ad alta efficienza oltre che a tecnologie di produzione accuratamente studiate, dipende fortemente dalle caratteristiche chimico-fisiche delle polveri di partenza utilizzate. Presso l’ISTEC vengono implementati metodi di sintesi convenzionali applicando innovati sistemi di riscaldamento (es. microonde, infrarossi) per la produzione di particelle a base di ceria ad elevata reattività chimico-fisica e massimo controllo di purezza e morfologia. Questi sistemi sono stati sfruttati sia per applicazioni catalitiche che come polveri elettrolitiche ad alte prestazioni per applicazioni SOFC/SOEC. Nel caso di fluidi lubrificanti, ISTEC ha messo a punto un innovativo metodo di sintesi a singolo step per la produzione di prodotti apolari altamente performanti e stabili nel tempo. Questi sistemi additivati con nanoparticelle a base sia metallica che ossidica, permettono di migliorare varie proprietà dei fluidi tradizionali, tra cui il coefficiente di attrito, la resistenza all’usura, la capacità di carico e la resistenza a pressioni elevate, superando in gran parte il problema della sedimentazione tipico delle sospensioni realizzate con particelle di dimensioni milli- o micro-metriche.

Membrane di separazione gas ad alta selettività

L’attività è incentrata sullo studio e ottimizzazione di multilayer ceramici (poroso-denso) in grado di separare elettrochimicamente gas economicamente rilevanti o per la separazione di CO2 da utilizzarsi poi per la produzione di chemicals o per essere stoccata. A questo scopo sono stati realizzati sistemi multistrato ceramici efficaci per la separazione di idrogeno e ossigeno mediante serigrafia e tape casting. Sono al momento allo studio avanzate tecniche di produzione 3D in grado di ingegnerizzare il supporto poroso al fine di massimizzare l’efficienza della membrana mantenendo una buona resistenza chimico-meccanica e massimizzando il flusso gassoso e membrane ibride in grado di separate efficacemente CO2.

Progetti in corso

- Accordo per la ricerca di sistema Mise-CNR.

Sistemi innovativi di cattura di CO₂

Per la cattura di diossido di carbonio da processi industriali ad alta temperatura si possono utilizzare sorbenti solidi porosi in forma granulare o monolitica che reagiscono chimicamente e reversibilmente con CO₂, consentendone il rilascio controllato in uno stadio di rigenerazione. In particolare sono stati studiati materiali ossidici monofasici come sorbenti solidi di nuova generazione per alte temperature. Per applicazioni a bassa temperatura sono stati studiati sistemi compositi consolidati chimicamente mediante processo di geopolimerizzazione. Questo ultimo consente formatura e consolidamento a bassa temperatura di materiali in strutture con intrinseca mesoporosità e porosità multidimensionale indotta.

Un'interessante alternativa è data dal Chemical Looping, basato su cicli di riduzione ed ossidazione di ossidi metallici (es. Fe, Mn, Cu) anche misti, definiti oxygen carrier. In tal modo è possibile isolare l'ambiente di ossidazione o combustione dall'aria, ottenendo l'ossidazione grazie all'ossigeno dell'oxygen carrier ed inibendo la diluizione in azoto di CO₂ rilasciata in rigenerazione.

Attualmente sono in corso in ISTEC studio sperimentali dedicati allo sviluppo ed applicazione in processo di materiali a base ceramica idonei sia alla cattura di CO₂ che al Chemical Looping.

Oxygen carrier a base ceramico contenente ossido di ferro

Progetti in corso

-Progetto Premiale MATER 2015

Ceramici trasparenti come convertitori di luce in sistemi LED

L’utilizzo di LED a conversione a fosfori è drammaticamente aumentato negli ultimi anni. La loro ampia diffusione deriva da una migliore resistenza al calore che garantisce una maggiore affidabilità nel tempo. Tali requisiti sono posseduti da materiali ceramici a base di YAG policristallino, rendendoli i candidati più promettenti come convertitori di luce, al posto di quelli organici o a base di silicio. In ISTEC ceramici Ce:YAG sono stati prodotti mediante reactive sintering in alto vuoto di ossidi. I risultati ottenuti, in termini di spettri di fotoluminiscenza, potenza spettrale e distribuzione dei fotoni del flusso totale radiante sono stati comparati con quelli prodotti nelle stesse condizioni di testing da un LED commerciale con convertitore a base di silicio.

INFRASTRUTTURE E STRUMENTAZIONE

ISTEC si avvale di numerosi strumenti di caratterizzazione morfologico/funzionale nonché di apparecchiature semi-industriali per la produzione ei materiali e dispositivi sopracitati. Per maggiori dettagli consultare il sito: www.istec.cnr.it

TEMATICHE/SETTORI DI INTERVENTO

-        Efficienza energetica

-        Produzione di energia da fonti rinnovabili

-        Produzione sostenibile di energia da fonti fossili

-        Ricerca energetica di frontiera