Batteries for green ICT systems: environmental concerns

The Green Information and Communication Technology (Green ICT) is an active area of ICT research, which aims an improvement of energy efficiency and a rational use of energy, through the Sustainable Development. The polluting emissions of ICT equipment (e.g. data centers, TLC infrastructures, personal computers and other devices), the rapid increase in global energy consumption and fossil fuels depletion pay considerable attention to renewable sources. Due to their intrinsic discontinuity in providing energy, it is crucial to develop high performance energy storage systems and integrate them into smart grids. The thesis introduces and develops innovative electrode materials for ultralight and bendable rechargeable batteries, suitable for use in light, flexible and wearable electronic devices. Low environmental impact, long life, high energy density, great charge rate, large number of charge/discharge cycles and safety are the main requirements of these materials. To this end, Electrospinning technique, a very simple, inexpensive and scalable technique, is employed. In order to obtain self-standing and flexible electrodes, the electrospinning process parameters and the post-synthesis thermal treatment conditions are optimised. Mechanical and structural properties are investigated by means of complementary characterisation techniques. Electrochemical tests are carried out to evaluate the performances of these electrodes in the coin cell. Another purpose of the study is to explore how Life Cycle Analysis (LCA) can be used to analyse the environmental burdens (from raw material extraction to manufacturing process) and optimise electrode material for lithium and sodium ion batteries. A cradle to gate LCA approach is applied by using of GaBi software. In order to assess the associated environmental impacts, comparative LCA studies are conducted for different electrodes, at the same cell performance, by defining inputs and outputs of the system and evaluating the associated impact categories. Finally, for truly exploiting of LCA potential in practical applications, the achieved results are presented and discussed to obtain eco-design criteria for the realisation of new electrodes.

Le tecnologie dell’Informazione e Comunicazione “Green” (Green ICT) rappresentano un’area della ricerca ICT che, attraverso lo sviluppo sostenibile, mira al miglioramento dell'efficienza energetica e all'uso razionale dell'energia. L’aumento delle emissioni inquinanti delle apparecchiature ICT (ad esempio data centers, infrastrutture TLC, computer e altri dispositivi), del consumo globale di energia e dell'esaurimento dei combustibili fossili, ha fatto sì che notevoli attenzioni fossero rivolte alle fonti rinnovabili. Tuttavia, a causa della discontinuità intrinseca con cui esse forniscono energia, è risultato di fondamentale importanza sviluppare efficienti sistemi di accumulo dell’energia ed integrarli nelle reti “intelligenti”. L’obiettivo della tesi è quello di introdurre e sviluppare materiali elettrodici innovativi per batterie ricaricabili ultraleggere e flessibili, adatte all'impiego in dispositivi elettronici mobili, leggeri e indossabili. Tali elettrodi devono annoverare tra i principali requisiti: bassi impatti ambientali, lunga durata, alta densità di energia, elevate velocità di carica, considerevole numero di cicli di carica/scarica ed elevata sicurezza. Per ottenere questi requisiti è stata impiegata l’Elettrofilatura, una tecnica molto semplice, economica e scalabile. La flessibilità degli elettrodi dipende dall’ottimizzazione di alcuni parametri di tale processo e dalle condizioni di trattamento termico post-sintesi. Le proprietà meccaniche e strutturali dei materiali sono appurate per mezzo di tecniche di caratterizzazione complementari. Le prestazioni in cella, invece, sono valutate attraverso i test elettrochimici eseguiti. Un altro scopo della tesi è quello di valutare, parallelamente alla realizzazione sperimentale degli elettrodi, come la metodologia dell'analisi del ciclo di vita (LCA) possa essere utilizzata per analizzare gli impatti ambientali (dall'estrazione delle materie prime al processo di produzione) e ottimizzare il materiale da elettrodo per le batterie agli ioni di litio e sodio. Gli studi LCA, con un approccio cradle to gate (dalla culla al cancello), vengono condotti utilizzando il software GaBi. Al fine di valutare gli impatti ambientali associati, vengono confrontati differenti elettrodi, a parità di prestazioni in cella, definendo gli input e gli output del sistema e valutando le relative categorie di impatto. Infine, per sfruttare il potenziale della metodologia LCA in applicazioni pratiche, i risultati ottenuti vengono presentati e discussi per ottenere criteri di eco-design per la realizzazione di nuovi elettrodi sostenibili.