Conoscenze di chimica e fisica di base

Conoscenze di base di chimica-fisica e cinetica dei processi elettrodici e delle catene galvaniche. Funzionamento di dispositivi elettrochimici per l'accumulo/conversione di energia e la sensoristica. Processi di corrosione dei materiali metallici. Applicazioni all’ingegneria biomedica: dispositivi indossabili e degrado in ambiente biologico.

Conoscenze e comprensione

Il rigore metodologico della disciplina consentirà allo studente di maturare competenze e capacità di comprensione fondamentali per il proseguimento degli studi. Le conoscenze di base della chimica-fisica e cinetica dei processi elettrodici e delle catene galvaniche acquisite lo renderanno capace di comprendere i meccanismi (i) di funzionamento di dispositivi elettrochimici per l'accumulo/conversione di energia e sensoristica e le loro potenzialità nell’ambito dell’elettronica indossabile biomedicale e (ii) dei processi di corrosione di materiali metallici in vari ambienti, con particolare riferimento a quello biologico.

Capacità di applicare conoscenze e comprensione

L’impostazione didattica usata dal docente prevede che la formazione teorica frontale in aula sia accompagnata da esempi applicativi stimolanti, che sollecitano la partecipazione attiva, l’attitudine propositiva e la capacità di elaborazione autonoma. Alla fine del corso lo studente sarà in grado di (i) risolvere problemi relativamente semplici riguardanti i fenomeni chimico-fisici delle catene galvaniche presenti in diverse applicazioni dell'ingegneria biomedica, (ii) di applicare le conoscenze degli aspetti termodinamici e cinetici dell’elettrochimica sia ai dispositivi di accumulo e conversione dell’energia chimica in elettrica e viceversa che ai processi di corrosione di materiali. Sarà quindi capace di comprendere le cause del degrado dei materiali e proporre sistemi di protezione adeguati al corpo umano, oltre che di effettuare una scelta opportuna di materiali e  metodi per studiare sistemi elettronici indossabili/impiantabili per la biomedica.

Autonomia di giudizio

Le competenze acquisite durante il corso permetteranno allo studente di valutare autonomamente la fattibilità di un processo elettrochimico con particolare riferimento ad aspetti inerenti la scelta dei materiali (elettrodi, soluzioni elettrolitiche etc.), l’elettrocatalisi e l’efficienza. Lo studente sarà, inoltre, in grado di valutare eventuali problemi di corrosione di materiali metallici comunemente impiegati nell’ambito biomedico e di maturare espressione di autonomi giudizi sull’impatto di diverse possibilità progettuali.

Abilità comunicative

Le modalità didattiche concepite con lezioni teoriche affiancate da esercitazioni in aula e in laboratorio richiedono che lo studente acquisisca capacità di comunicare sia gli aspetti rigorosamente teorici, sia quelli applicativi e che riesca ad esprimere problematiche inerenti i temi del corso. Lo studente acquisirà abilità nella comunicazione dei risultati e delle scelte progettuali e capacità di dialogo utilizzando una terminologia appropriata con altri addetti ai lavori.

Capacità di apprendimento

Il trasferimento delle conoscenze di base legate alla Chimica Fisica Applicata alla Bioingegneria, non comuni con altri corsi erogati nell'ambito del suo corso di laurea, permetterà allo studente di gestire problemi tecnici grazie ad esercitazioni che prevedono lunghe e mirate attività di laboratorio. Sarà in grado quindi di auto-apprendere applicando le informazioni acquisite nella risoluzione di problematiche anche non trattate a lezione.

LEZIONI FRONTALI ED ESERCITAZIONI NUMERICHE E DI LABORATORIO

La frequenza delle lezioni ed esercitazioni del corso è consigliata vivamente. Le modalità d’esame prevedono due prove infrannuali facoltative con esercizi numerici e domande sul programma svolto fino a quel momento seguito da una prova orale a fine corso.

II punteggio della prova infrannuale sarà quello di minimo di partenza (non meno di 18/30). Per superare l'esame finale (conseguire un punteggio minimo di 18/30), lo studente deve dimostrare di aver acquisito una conoscenza e una comprensione sufficienti su tutti gli argomenti trattati. Per conseguire il punteggio massimo 30/30 e lode, lo studente deve invece dimostrare di aver acquisito, non solo la conoscenza e la comprensione eccellenti di tutti gli argomenti trattati durante il corso, ma anche la capacità di applicarle alla progettazione ingegneristica, di esprimere giudizio autonomo su possibili soluzioni alternative, e di comunicare i risultati delle sue analisi. Durante la prova orale saranno proposte delle domande, sia quantitative che qualitative, concentrate su tre ambiti:

- aspetti termodinamici e cinetici dei processi elettrochimici;

- sistemi di conversione elettrochimica dell’energia e processi di corrosione

- processi elettrochimici di interesse per l’Ingegneria Biomedica.

Lo studente dovrà dimostrare capacità di elaborare le conoscenze fondamentali acquisite nel corso utilizzandole per superare i problemi pratici proposti, e capacità di esprimersi con un linguaggio tecnicamente corretto sui contenuti dell’insegnamento.

Lezioni

Introduzione al corso. Programma. Modalità d'esame. Richiami di chimica delle soluzioni. Introduzione all'elettrochimica. Processi chimici ed elettrochimici. Lavoro chimico e lavoro elettrico. Soluzioni elettrolitiche. Conducibilità, conducibilità molare e conducibilità molare limite.

Introduzione alla chimica-fisica. Energia, calore, lavoro. Sistema termodinamico. Trasformazioni termodinamiche. Primo principio. Lavoro chimico e potenziale chimico. L’equazione della termodinamica chimica. Equazione di Gibbs-Duhem. Entalpia, entropia ed energia libera associate ad una reazione chimica. Criteri di spontaneità.

Chimica-fisica delle interfacce elettricamente cariche. Potenziale d’elettrodo.  Elettrodo di riferimento ad idrogeno. Serie dei potenziali standard di equilibrio. Indice di nobiltà. Potenziale elettrochimico. Potenziale Volta, Galvani e di superficie. Non misurabilità del potenziale assoluto di un elettrodo in soluzione. Dipendenza del potenziale dalla concentrazione delle specie elettroattive. Equazione di Nerst.

Chimica-fisica dei sistemi galvanici. Equazione costitutiva delle catene galvaniche. Reazione globale di catena. Criterio di spontaneità per un processo galvanico e verso di circolazione della corrente. Generatori ed elettrolizzatori. Determinazione di grandezze termodinamiche da misure di differenza di potenziale. Coefficienti di temperatura e pressione della forza elettromotrice. Esempi. Effetti termici nelle catene galvaniche. Calore voltaico e calore Peltier. Applicazione alla pila Daniell.

Diagrammi di Pourbaix. Costruzione e discussione di un diagramma di Pourbaix generico e specifico a partire da dati termodinamici.

Cenni di cinetica chimica. Velocità di reazione. Meccanismi delle reazioni complesse. Teorie cinetiche. Teoria degli urti e del complesso attivato. Equazione di Arrhenius.

Cinetica elettrochimica. Potenziale di elettrodo sotto circolazione di corrente: sovratensione. Polarizzazione anodica e catodica. Controllo cinetico di una reazione elettrochimica. Sovratensione di trasferimento di carica. Equazione di Butler-Volmer. Densità di corrente di scambio e materiali elettrocatalitici. Approssimazioni ad alti e bassi campi dell' equazione di Butler-Volmer. Equazione di Tafel. Resistenza al trasferimento di carica. Controllo cinetico per trasferimento di massa. Strato limite di Nerst. Corrente limite e sovratensione di diffusione. Controllo cinetico misto.

Sistemi di conversione elettrochimica dell’energia. Aspetti fondamentali di sistemi di accumulo e/o conversione di energia elettrochimica.  Stato presente della tecnologia dei suddetti sistemi per diverse applicazioni nel campo del portatile (elettronica di consumo e dispositivi biomedicali). Curve di scarica ed autoscarica.

Batterie primarie (o pile) e secondarie (o accumulatori). Condensatori elettrochimici e supercapacitori: a doppio strato, redox e ibridi. Ricerca e sviluppo di materiali elettrodici, elettrolitici ed elettrocatalitici per i suddetti sistemi.  Celle a combustibile. Tecniche di indagine elettrochimica e chimico-fisica sui suddetti materiali e dispositivi.

Sistemi di conversione/accumulo dell’energia per le tecnologie indossabili: funzionalità dei “wearable device” per l’Ingegneria Biomedica. Batterie per le tecnologie indossabili. Analisi dello stato presente della tecnologia.

Processi di corrosione. Aspetti termodinamici. Corrosione generalizzata e localizzata. Corrosione galvanica e per areazione differenziale. Costruzione ed uso dei diagrammi potenziale-pH (Pourbaix) nello studio della corrosione ad umido dei metalli. Aspetti cinetici dei processi di corrosione. Potenziale misto o di corrosione. Diagrammi di Evans per vari tipi di controllo cinetico. Curve di passività. Forme di corrosione: generalizzata, contatto galvanico, pitting o vaiolatura, corrosione in fessura, attacco selettivo, corrosione intergranulare, corrosione per turbolenza, abrasione e sfregamento, sotto sforzo (stress corrosion cracking), corrosione-fatica, danneggiamento da idrogeno, corrosione microbiologica. Corrosione dei biomateriali metallici in colture cellulari. Corrosione dei materiali da impianto nel corpo umano. Influenza delle condizioni meccaniche di lavoro degli impianti nel corpo umano. Metodi di protezione e prevenzione:inibitori di corrosione, rivestimenti, protezione catodica, protezione anodica. Metodi di protezione dei biomateriali metallici dalla corrosione.

Esercitazioni

Attività di laboratorio e svolgimento di esercizi numerici su:

-Chimica fisica delle catene galvaniche. Equazione di Nernst e calcolo della forza elettromotrice.

-Cinetica delle catene galvaniche. Densita' di corrente di scambio e diagrammi di Tafel. Stima della corrente limite. Elettrodo rotante ed equazione di Levich.

-Sistemi di conversione/accumulo dell’energia elettrochimica. Scelta dei materiali e costruzione di una batteria.

-Processi di corrosione. Curve di passivita' e anodizzazione di metalli valvola.

-Wearable devices: costruzione di un dispositivo indossabile con generatore elettrochimico.

Materiale fornito dal docente.

Electrochemical Methods - Fundamentals and Applications, A. J. Bard, L. R. Faulkner, Wiley (II edition), 2001

Modern Electrochemistry 2B, 2nd edition J. O'M. Bockris e A.K.N. Reddy Kluwer Academic/Plenum Publishers NY (2000)

Pietro Pedeferri, Corrosione e protezione dei materiali metallici. Vol. I e Vol. II, polipress, 2007, Milano Italia

Conoscenze di chimica e fisica di base

Il corso fornirà conoscenze di base su (1) dispositivi elettrochimici per l'accumulo/conversione di energia per la propulsione elettrica e (2) processi di corrosione di materiali per applicazioni aerospaziali. I contenuti saranno trasferiti agli studenti prevalentemente mediante esperienze di laboratorio ed esercitazioni numeriche.

Conoscenze e comprensione

Il rigore metodologico consentirà allo studente di maturare competenze e capacità di comprensione fondamentali per il proseguimento degli studi nell’Ingegneria Areospaziale. Le conoscenze di base di chimica-fisica e cinetica dei processi elettrodici acquisite lo renderanno capace di comprendere i meccanismi (i) di funzionamento di dispositivi elettrochimici per l'accumulo/conversione di energia e le loro potenzialità nell’ambito dell’ingegneria areospaziale e (ii) dei processi di corrosione di materiali metallici alle condizioni tipiche degli ambienti aerospaziali.

Capacità di applicare conoscenze e comprensione

L’impostazione didattica usata dal docente prevede che la formazione sia accompagnata da esempi applicativi stimolanti, che sollecitano la partecipazione attiva, l’attitudine propositiva e la capacità di elaborazione autonoma. Alla fine del corso lo studente sarà in grado di applicare le conoscenze degli aspetti termodinamici e cinetici dell’elettrochimica sia ai dispositivi di accumulo/conversione dell’energia per la propulsione elettrica aerospaziale che ai processi di corrosione di materiali metallici in ambienti aerospaziali.

Autonomia di giudizio

Le competenze acquisite durante il corso permetteranno allo studente di valutare autonomamente la fattibilità di un processo elettrochimico con particolare riferimento ad aspetti inerenti la scelta dei materiali, l’elettrocatalisi e l’efficienza. Lo studente sarà, inoltre, in grado di valutare problemi di corrosione di materiali metallici comunemente impiegati nell’ambito areospaziale e di maturare espressione di autonomi giudizi sull’impatto di diverse possibilità progettuali.

Abilità comunicative

Le modalità didattiche concepite con lezioni teoriche propedeutiche a numerose esercitazioni numeriche e di laboratorio richiedono che lo studente acquisisca capacità di comunicare gli aspetti teorici di base finalizzati a quelli applicativi. Lo studente acquisirà abilità nella comunicazione dei risultati e delle scelte progettuali e capacità di dialogo utilizzando una terminologia appropriata con altri addetti ai lavori.

Capacità di apprendimento

Il trasferimento delle conoscenze di base delle tecnologie elettrochimiche più all’avanguardia nel campo aerospaziale mediante esercitazioni che prevedono lunghe e mirate attività di laboratorio permetterà allo studente di continuare il percorso di studi magistrali nell’area aerospaziale con un elevato grado di autonomia ed interesse.

LEZIONI FRONTALI PROPEDEUTICHE AD ESERCITAZIONI NUMERICHE E DI LABORATORIO

La modalità d’esame prevede la produzione e la discussione di un elaborato scritto sull’attività sperimentale di laboratorio di un tema a scelta. Lo studente dovrà dimostrare capacità di elaborare le conoscenze fondamentali acquisite durante il corso utilizzandole per discutere l’elaborato con un linguaggio tecnicamente corretto.

Il programma sarà sviluppato attraverso una lezione teorica introduttiva corredata da attività di laboratorio ed esercitazioni numeriche relative ogni punto elencato.

 

1. Chimica-fisica delle interfacce elettricamente cariche. Potenziale d’elettrodo.  Serie dei potenziali standard di equilibrio. Dipendenza del potenziale dalla concentrazione delle specie elettroattive. Equazione di Nerst.

2.  Chimica-fisica dei sistemi galvanici. Equazione costitutiva delle catene galvaniche. Reazione globale di catena. Criterio di spontaneità per un processo galvanico e verso di circolazione della corrente. Generatori ed elettrolizzatori. Costruzione di una batteria.

3.  Cinetica elettrochimica. Potenziale di elettrodo sotto circolazione di corrente: sovratensione. Controllo cinetico di una reazione elettrochimica. Sovratensione di trasferimento di carica e trasferimento di massa.

4.  Sistemi di conversione elettrochimica dell’energia per l’areospazio. Aspetti fondamentali di sistemi di accumulo e/o conversione di energia elettrochimica.  Stato presente della tecnologia dei suddetti sistemi per applicazioni nel campo dell’Ingegneria Areospaziale. Propulsione elettrica a idrogeno: IL PROGETTO NASA. https://www.innaturale.com/un-aereo-elettrico-alimentato-a-idrogeno-il-progetto-nasa/

5. Processi di corrosione. Aspetti termodinamici e cinetici dei processi di corrosione.  Forme di corrosione. Metodi di protezione e prevenzione. Applicazione ai materiali aerospaziali e casi studio (es. incidente volo Aloha Airlines 243). https://corrosion-doctors.org/Aircraft/Aloha.htm#Miller

 

Materiale fornito dal docente.

Electrochemical Methods - Fundamentals and Applications, A. J. Bard, L. R. Faulkner, Wiley (II edition), 2001

Modern Electrochemistry 2B, 2nd edition J. O'M. Bockris e A.K.N. Reddy Kluwer Academic/Plenum Publishers NY (2000)

Pietro Pedeferri, Corrosione e protezione dei materiali metallici. Vol. I e Vol. II, polipress, 2007, Milano Italia

Conoscenze di chimica e fisica di base

Conoscenze di base di chimica-fisica e cinetica dei processi elettrodici e delle catene galvaniche. Funzionamento di dispositivi elettrochimici per l'accumulo/conversione di energia e la sensoristica. Processi di corrosione dei materiali metallici. Applicazioni all’ingegneria biomedica: dispositivi indossabili e degrado in ambiente biologico.

Conoscenze e comprensione

Il rigore metodologico della disciplina consentirà allo studente di maturare competenze e capacità di comprensione fondamentali per il proseguimento degli studi. Le conoscenze di base della chimica-fisica e cinetica dei processi elettrodici e delle catene galvaniche acquisite lo renderanno capace di comprendere i meccanismi (i) di funzionamento di dispositivi elettrochimici per l'accumulo/conversione di energia e sensoristica e le loro potenzialità nell’ambito dell’elettronica indossabile biomedicale e (ii) dei processi di corrosione di materiali metallici in vari ambienti, con particolare riferimento a quello biologico.

Capacità di applicare conoscenze e comprensione

L’impostazione didattica usata dal docente prevede che la formazione teorica frontale in aula sia accompagnata da esempi applicativi stimolanti, che sollecitano la partecipazione attiva, l’attitudine propositiva e la capacità di elaborazione autonoma. Alla fine del corso lo studente sarà in grado di (i) risolvere problemi relativamente semplici riguardanti i fenomeni chimico-fisici delle catene galvaniche presenti in diverse applicazioni dell'ingegneria biomedica, (ii) di applicare le conoscenze degli aspetti termodinamici e cinetici dell’elettrochimica sia ai dispositivi di accumulo e conversione dell’energia chimica in elettrica e viceversa che ai processi di corrosione di materiali. Sarà quindi capace di comprendere le cause del degrado dei materiali e proporre sistemi di protezione adeguati al corpo umano, oltre che di effettuare una scelta opportuna di materiali e  metodi per studiare sistemi elettronici indossabili/impiantabili per la biomedica.

Autonomia di giudizio

Le competenze acquisite durante il corso permetteranno allo studente di valutare autonomamente la fattibilità di un processo elettrochimico con particolare riferimento ad aspetti inerenti la scelta dei materiali (elettrodi, soluzioni elettrolitiche etc.), l’elettrocatalisi e l’efficienza. Lo studente sarà, inoltre, in grado di valutare eventuali problemi di corrosione di materiali metallici comunemente impiegati nell’ambito biomedico e di maturare espressione di autonomi giudizi sull’impatto di diverse possibilità progettuali.

Abilità comunicative

Le modalità didattiche concepite con lezioni teoriche affiancate da esercitazioni in aula e in laboratorio richiedono che lo studente acquisisca capacità di comunicare sia gli aspetti rigorosamente teorici, sia quelli applicativi e che riesca ad esprimere problematiche inerenti i temi del corso. Lo studente acquisirà abilità nella comunicazione dei risultati e delle scelte progettuali e capacità di dialogo utilizzando una terminologia appropriata con altri addetti ai lavori.

Capacità di apprendimento

Il trasferimento delle conoscenze di base legate alla Chimica Fisica Applicata alla Bioingegneria, non comuni con altri corsi erogati nell'ambito del suo corso di laurea, permetterà allo studente di gestire problemi tecnici grazie ad esercitazioni che prevedono lunghe e mirate attività di laboratorio. Sarà in grado quindi di auto-apprendere applicando le informazioni acquisite nella risoluzione di problematiche anche non trattate a lezione.

LEZIONI FRONTALI ED ESERCITAZIONI NUMERICHE E DI LABORATORIO

La frequenza delle lezioni ed esercitazioni del corso è consigliata vivamente. Le modalità d’esame prevedono due prove infrannuali con esercizi numerici e domande sul programma svolto fino a quel momento seguito da una prova orale a fine corso.

II punteggio della prova infrannuale sarà quello di minimo di partenza (non meno di 18/30). Per superare l'esame finale (conseguire un punteggio minimo di 18/30), lo studente deve dimostrare di aver acquisito una conoscenza e una comprensione sufficienti su tutti gli argomenti trattati. Per conseguire il punteggio massimo 30/30 e lode, lo studente deve invece dimostrare di aver acquisito, non solo la conoscenza e la comprensione eccellenti di tutti gli argomenti trattati durante il corso, ma anche la capacità di applicarle alla progettazione ingegneristica, di esprimere giudizio autonomo su possibili soluzioni alternative, e di comunicare i risultati delle sue analisi. Durante la prova orale saranno proposte delle domande, sia quantitative che qualitative, concentrate su tre ambiti:

- aspetti termodinamici e cinetici dei processi elettrochimici;

- sistemi di conversione elettrochimica dell’energia e processi di corrosione

- processi elettrochimici di interesse per l’Ingegneria Biomedica.

Lo studente dovrà dimostrare capacità di elaborare le conoscenze fondamentali acquisite nel corso utilizzandole per superare i problemi pratici proposti, e capacità di esprimersi con un linguaggio tecnicamente corretto sui contenuti dell’insegnamento.

Lezioni

Introduzione al corso. Programma. Modalità d'esame. Richiami di chimica delle soluzioni. Introduzione all'elettrochimica. Processi chimici ed elettrochimici. Lavoro chimico e lavoro elettrico. Soluzioni elettrolitiche. Conducibilità, conducibilità molare e conducibilità molare limite.

Introduzione alla chimica-fisica. Energia, calore, lavoro. Sistema termodinamico. Trasformazioni termodinamiche. Primo principio. Lavoro chimico e potenziale chimico. L’equazione della termodinamica chimica. Equazione di Gibbs-Duhem. Entalpia, entropia ed energia libera associate ad una reazione chimica. Criteri di spontaneità.

Chimica-fisica delle interfacce elettricamente cariche. Potenziale d’elettrodo.  Elettrodo di riferimento ad idrogeno. Serie dei potenziali standard di equilibrio. Indice di nobiltà. Potenziale elettrochimico. Potenziale Volta, Galvani e di superficie. Non misurabilità del potenziale assoluto di un elettrodo in soluzione. Dipendenza del potenziale dalla concentrazione delle specie elettroattive. Equazione di Nerst.

Chimica-fisica dei sistemi galvanici. Equazione costitutiva delle catene galvaniche. Reazione globale di catena. Criterio di spontaneità per un processo galvanico e verso di circolazione della corrente. Generatori ed elettrolizzatori. Determinazione di grandezze termodinamiche da misure di differenza di potenziale. Coefficienti di temperatura e pressione della forza elettromotrice. Esempi. Effetti termici nelle catene galvaniche. Calore voltaico e calore Peltier. Applicazione alla pila Daniell.

Diagrammi di Pourbaix. Costruzione e discussione di un diagramma di Pourbaix generico e specifico a partire da dati termodinamici.

Cenni di cinetica chimica. Velocità di reazione. Meccanismi delle reazioni complesse. Teorie cinetiche. Teoria degli urti e del complesso attivato. Equazione di Arrhenius.

Cinetica elettrochimica. Potenziale di elettrodo sotto circolazione di corrente: sovratensione. Polarizzazione anodica e catodica. Controllo cinetico di una reazione elettrochimica. Sovratensione di trasferimento di carica. Equazione di Butler-Volmer. Densità di corrente di scambio e materiali elettrocatalitici. Approssimazioni ad alti e bassi campi dell' equazione di Butler-Volmer. Equazione di Tafel. Resistenza al trasferimento di carica. Controllo cinetico per trasferimento di massa. Strato limite di Nerst. Corrente limite e sovratensione di diffusione. Controllo cinetico misto.

Sistemi di conversione elettrochimica dell’energia. Aspetti fondamentali di sistemi di accumulo e/o conversione di energia elettrochimica.  Stato presente della tecnologia dei suddetti sistemi per diverse applicazioni nel campo del portatile (elettronica di consumo e dispositivi biomedicali), del trasporto (veicoli elettrici ed ibridi) e dello stazionario (impianti eolici e fotovoltaici sia collegati alla rete che isolati). Generatori primari e secondari e celle a combustibile. Curve di scarica ed autoscarica.

Batterie primarie (o pile) e secondarie (o accumulatori). Condensatori elettrochimici e supercapacitori: a doppio strato, redox e ibridi. Ricerca e sviluppo di materiali elettrodici, elettrolitici ed elettrocatalitici per i suddetti sistemi.  Celle a combustibile. Tecniche di indagine elettrochimica e chimico-fisica sui suddetti materiali e dispositivi.

Sistemi di conversione/accumulo dell’energia per le tecnologie indossabili: funzionalità dei “wearable device” per l’Ingegneria Biomedica. Batterie per le tecnologie indossabili. Analisi dello stato presente della tecnologia.

Processi di corrosione. Aspetti termodinamici. Corrosione generalizzata e localizzata. Corrosione galvanica e per areazione differenziale. Costruzione ed uso dei diagrammi potenziale-pH (Pourbaix) nello studio della corrosione ad umido dei metalli. Aspetti cinetici dei processi di corrosione. Potenziale misto o di corrosione. Diagrammi di Evans per vari tipi di controllo cinetico. Curve di passività. Forme di corrosione: generalizzata, contatto galvanico, pitting o vaiolatura, corrosione in fessura, attacco selettivo, corrosione intergranulare, corrosione per turbolenza, abrasione e sfregamento, sotto sforzo (stress corrosion cracking), corrosione-fatica, danneggiamento da idrogeno, corrosione microbiologica. Corrosione dei biomateriali metallici in colture cellulari. Corrosione dei materiali da impianto nel corpo umano. Influenza delle condizioni meccaniche di lavoro degli impianti nel corpo umano. Metodi di protezione e prevenzione:inibitori di corrosione, rivestimenti, protezione catodica, protezione anodica. Metodi di protezione dei biomateriali metallici dalla corrosione.

Esercitazioni

Attività di laboratorio e svolgimento di esercizi numerici su:

-Chimica fisica delle catene galvaniche. Equazione di Nernst e calcolo della forza elettromotrice.

-Cinetica delle catene galvaniche. Densita' di corrente di scambio e diagrammi di Tafel. Stima della corrente limite. Elettrodo rotante ed equazione di Levich.

-Sistemi di conversione/accumulo dell’energia elettrochimica. Scelta dei materiali e costruzione di una batteria.

-Processi di corrosione. Curve di passivita' e anodizzazione di metalli valvola.

-Wearable devices: costruzione di un dispositivo indossabile con generatore elettrochimico.

Materiale fornito dal docente.

Electrochemical Methods - Fundamentals and Applications, A. J. Bard, L. R. Faulkner, Wiley (II edition), 2001

Modern Electrochemistry 2B, 2nd edition J. O'M. Bockris e A.K.N. Reddy Kluwer Academic/Plenum Publishers NY (2000)

Pietro Pedeferri, Corrosione e protezione dei materiali metallici. Vol. I e Vol. II, polipress, 2007, Milano Italia

Basic knowledge of physics and chemistry.

The course aims to provide the students with fundamental knowledge and understanding in electrochemical energy conversion and storage. Electrochemical, technological and metallurgical aspects of batteries and fuel cells devices are emphasized through theoretical lessons and numerical as well as experimental practice.

Knowledge and understanding

The course provides the basic concepts of electrochemical processes applied to energy conversion and storage systems

by focusing the attention on the performance, application, material science, and corrosion aspects of the batteries and fuel cell devices.

Applying knowledge and understanding

After the course, the student will acquire a basic knowledge of the principal topics of electrochemical charge storage and energy conversion. The student will learn theoretical and technological aspects of batteries, fuel cells and supercapacitor devices. The student will also understand metallurgical and environmental aspects of batteries and fuel cells finalized to prevent degradation and promote eco-friendly systems and recycle processes of wastes.

Making judgments                                                    

Students will acquire the ability to critically discuss the principal problems related to batteries and fuel cell and to propose solution to material choices, corrosion phenomena and stability issues by using basic electrochemical and metallurgical notions.

Communication

The students will be able to communicate the scientific knowledge and methodological tools acquired in the course with a varied and composite audience in a clear and technical way. The student will sustain conversations on electrochemical energy conversion themes by evidencing vantages and disadvantages if compared with other energy conversion methods. The ability to use a technical language will be improved during the laboratory practice, where the students will be called to propose solutions to the investigated systems.

Learning skills

The student will acquire basic concepts of applied electrochemistry that will guide him/her to a critical assessment of the positive and negative aspects of a novel energy storage or conversion system and to the project of possible solutions. These skills will be enhanced thanks to a long and focused laboratory practice.

 

The course consists of frontal lessons, numerical and experimental exercises. Class contents will be given on the board or presented with the aid of Power Point Slides. Interactions with students will be stimulated during lessons in order to keep high the attention and comprehension of the contents.

Exams will be composed of an oral discussion of the theoretical part of the course (6 credits) and a written report on the experimental activity (3 credits).

The oral discussion will relate on four topics:

1. Energetic aspects of energy storage and conversion devices;
2. Kinetic aspects of energy storage and conversion devices;
3. Dicussion of a battery/fuel cell system;
4. Enviromental and corrosion aspects of a battery/fuel cell system

With the aim to verify to what extent the student has acquired the aptitude to manage electrochemical theoretical aspect of batteries/fuel cells systems and to apply them to the design and problem solving activities characteristic of these devices.

The written report on the experimental activity will be evaluated by taking into account the level of the scientific discussion, the correctness of the technical language and the completeness/precision of the overall document. 

Theoretical lessons (6 credits)

Introduction to the course.

Introduction to electrochemistry. Differences between chemical and electrochemical reactions.

Energetic aspects of galvanic systems.

Notes on electrolytic solutions. Transport phenomena in solution. Migration, diffusion, convection.

Fundamental aspects of electrochemical kinetics in batteries: charge-transfer, diffusion and ohmic control. Charge-discharge curves.

Faradaic and non Faradaic processes. Electrode/Electrolyte double layer. Helmolz e Gouy-Chapman Models. Electrochemical Impedance Spectroscopy: principles and applications to the characterization of energy storage and conversion devices. Bode and Nyquist diagrams. Circuital models.

Electrochemical energy storage and conversion: introduction and electrochemical fundamental aspects.

Present state of the art of energy storage and conversion devices for application in mobile (consumer electronics

and biomedical devices), transport (hybrid and electric vehicles) and stationary (wind and photovoltaic systems).

Ragone plot.

Primary Batteries: conventional cells (Leclanche, manganese oxide/Zn, silver oxide/Zn, Zn/air), lithium batteries, reserve batteries, thermal batteries, sea batteries.

Secondary Batteries: Pb-acid, nickel - cadmium, silver- zinc, Zn-air.

alluminium - air, nickel - metal hydride, lithium. ZEBRA battery.

Processes and materials for hydrogen production and storage.

Fuel Cells: operating principle, general characteristic and classification. Advantages and disadvantages. Triple contact electrodes. Thermodynamic and kinetic aspects. Polarization curves. Membrane Electrodes Assembly.

Polymeric Electrolyte Fuel Cells (PEFC). Materials and operation of catalyzed electrodes and polymeric electrolytes. Perfluorosulfonic membranes (Nafion) and proton transport mechanisms. Water management.

Alkaline Fuel Cells. Phosphoric Acid Fuel Cells. Direct methanol fuel cells. Molten carbonate fuel cells. Solid oxide Fuel Cells.

Electrochemical capacitors and supercapacitors. Hybrid supercapacitors. Electrolytic supercapacitors.

Corrosion in batteries and fuel cells: fundamentals of electrochemical corrosion and metallurgical aspects in batteries and fuel cells.

Environmental impact of batteries and fuel cells.

Numerical exercises on energetics and kinetics of galvanic systems, energy conversion and storage, corrosion phenomena applied to batteries and fuel cells.

Laboratory Practice (3 credits)

Fabrication and electrochemical study of conventional batteries (such as  Daniell cell, Zn-air) and fuel cells (PEMFC). focusing the attention on the Nernst equation and equilibrium potential measurements, battery technology and components, half-cell reactions, charging/discharging tests, and performance analysis.

Metallurgical aspect of corrosion processes.

Electrochemical corrosion of materials typically used in battery and fuel cell systems.

Microstructure analysis of samples affected by electrochemical corrosion.

Electrochemical corrosion of samples characterized by the same composition and different microstructures:

microstructural analysis and mechanical performances.

Electrochemical Methods - Fundamentals and Applications, A. J. Bard, L. R. Faulkner, Wiley (II edition), 2001

Modern Electrochemistry 2B, 2nd edition J. O'M. Bockris e A.K.N. Reddy Kluwer Academic/Plenum Publishers NY (2000)

Pietro Pedeferri, Corrosione e protezione dei materiali metallici. Vol. I e Vol. II, polipress, 2007, Milano Italia

Papers and reviews provided during the course.