Graphite for lithium-ion batteries: mineral analysis and global Material Flow Analysis

Graphite is a mineral commodity used as anode for lithium-ion batteries (LIBs), and its global demand is doomed to increase significantly in the future due to the forecasted global market demand of electric vehicles. Currently, the graphite used to produce LIBs is a mix of synthetic and natural graphite. The first one is produced by the crystallization of petroleum by-products and the second comes from mining, which causes threats related to pollution, social acceptance, and health. This MSc work has the objective of determining compositional and textural characteristics of natural, synthetic, and recycled graphite by using SEM-EDS, XRF, XRD, and TEM analytical techniques and couple these data with dynamic Material Flow Analysis (MFA) models, which have the objective of predicting the future global use of graphite in order to test the hypothesis that natural graphite will no longer be used in the LIB market globally. The mineral analyses reveal that the synthetic graphite samples contain less impurities than the natural graphite, which has a rolled internal structure similar to the recycled one. However, recycled graphite shows fractures and discontinuities of the graphene layers caused by the recycling process, but its rolled internal structure can help the Li-ions’ migration through the fractures. Three dynamic MFA studies have been conducted to test distinct scenarios that include graphite recycling in the period 2022-2050 and it emerges that - irrespective of any considered scenario - there will be an increase of synthetic graphite demand, caused by the limited stocks of battery scrap available. Hence, I conclude that both natural and recycled graphite is doomed to be used in the LIB market in the future, at least until the year 2050 when the stock of recycled graphite production will be enough to supersede natural graphite. In addition, some new improvement in the dismantling and recycling processes are necessary to improve the quality of recycled graphite.

Distributed non-cooperative robust economic predictive control for dynamically coupled linear systems.

In this thesis, a tube-based Distributed Economic Predictive Control (DEPC) scheme is presented for a group of dynamically coupled linear subsystems. These subsystems are components of a large scale system and control inputs are computed based on optimizing a local economic objective. Each subsystem is interacting with its neighbors by sending its future reference trajectory, at each sampling time. It solves a local optimization problem in parallel, based on the received future reference trajectories of the other subsystems. To ensure recursive feasibility and a performance bound, each subsystem is constrained to not deviate too much from its communicated reference trajectory. This difference between the plan trajectory and the communicated one is interpreted as a disturbance on the local level. Then, to ensure the satisfaction of both state and input constraints, they are tightened by considering explicitly the effect of these local disturbances. The proposed approach averages over all possible disturbances, handles tightened state and input constraints, while satisfies the compatibility constraints to guarantee that the actual trajectory lies within a certain bound in the neighborhood of the reference one. Each subsystem is optimizing a local arbitrary economic objective function in parallel while considering a local terminal constraint to guarantee recursive feasibility. In this framework, economic performance guarantees for a tube-based distributed predictive control (DPC) scheme are developed rigorously. It is presented that the closed-loop nominal subsystem has a robust average performance bound locally which is no worse than that of a local robust steady state. Since a robust algorithm is applying on the states of the real (with disturbances) subsystems, this bound can be interpreted as an average performance result for the real closed-loop system. To this end, we present our outcomes on local and global performance, illustrated by a numerical example.

Progettazione e analisi di soluzioni per la QOS e il controllo di flusso in Networks-on-chip

Nel documento vengono principalmente trattati i principali meccanismi per il controllo di flusso per le NoC. Vengono trattati vari schemi di switching, gli stessi schemi associati all'introduzione dei Virtual Channel, alcuni low-level flow control, e due soluzioni per gli end-to-end flow control: Credit Based e CTC (STMicroelectronics). Nel corso della trattazione vengono presentate alcune possibili modifiche a CTC per incrementarne le prestazioni mantenendo la scalabilità che lo contraddistingue: queste sono le "back-to-back request" e "multiple incoming connections". Infine vengono introdotti alcune soluzioni per l'implementazione della qualità di servizio per le reti su chip. Proprio per il supporto al QoS viene introdotto CTTC: una versione di CTC con il supporto alla Time Division Multiplexing su rete Spidergon.

Valutazione del ciclo antropogenico del neodimio in Italia, mediante metodologie MFA e LCA

Per raggiungere gli obiettivi di neutralità climatica del 2050 stabiliti dal Green Deal europeo, l’approvvigionamento sicuro e sostenibile di materie prime critiche è considerato essenziale e l’attuale crisi energetica ne ha rimarcato l’importanza. Tra queste materie prime, il neodimio risulta essere fondamentale per un ampio numero di applicazioni tecnologiche di interesse crescente come la mobilità elettrica e la generazione di energia elettrica da fonti rinnovabili. La produzione mondiale di neodimio è dominata dalla Cina e l’Italia dipende completamente dalle importazioni per soddisfare la propria domanda. Il riciclo dei prodotti a fine vita potrebbe coprire parte della domanda nazionale di neodimio e ridurre la dipendenza dalle importazioni cinesi. Ma, attualmente, la percentuale di riciclo del metallo è inferiore all’1% globalmente con attività di riciclo spesso inesistenti su scala industriale a livello nazionale. Per dare chiarezza sulla catena del valore di neodimio in Italia e dimostrare le potenzialità del suo riciclo, in questa tesi sono state applicate le metodologie di MFA e di LCA. Un modello dinamico retrospettivo di MFA è stato sviluppato col fine di investigare il ciclo antropogenico del neodimio, identificando e valutando i flussi e le riserve nazionali dal 1995 al 2020. Attraverso un modello di distribuzione dei tempi di vita è stata quantificata la riserva in uso del metallo, che ammonta a 3,3 kt Nd o 56 g Nd pro capite. Un riciclo della riserva in uso potrebbe soddisfare l’attuale domanda di neodimio oltre al 2030. I risultati dell’MFA sono stati integrati con i fattori LCA di caratterizzazione di impatto ambientale, dimostrando che il riciclo potrebbe ridurre più dell’80% delle emissioni di gas serra e della energia richiesta associate alla produzione di neodimio primario. Si prevede che lo studio possa contribuire all’implementazione di politiche e strategie di rafforzamento della catena di approvvigionamento del neodimio.