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.

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.

Experimental Study on Friction between Saline Ice and Steel

Understanding the interaction of sea ice with offshore structures is of primary importance for the development of technology in cold climate regions. The rheological properties of sea ice (strength, creep, viscosity) as well as the roughness of the contact surface are the main factors influencing the type of interaction with a structure. A device was developed and designed and small scale laboratory experiments were carried out to study sea ice frictional interaction with steel material by means of a uniaxial compression rig. Sea-ice was artificially grown between a stainless steel piston (of circular cross section) and a hollow cylinder of the same material, coaxial to the former and of the same surface roughness. Three different values for the roughness were tested: 1.2, 10 and 30 μm Ry (maximum asperities height), chosen as representative values for typical surface conditions, from smooth to normally corroded steel. Creep tests (0.2, 0.3, 0.4 and 0.6 kN) were conducted at T = -10 ºC. By pushing the piston head towards the cylinder base, three different types of relative movement were observed: 1) the piston slid through the ice, 2) the piston slid through the ice and the ice slid on the surface of the outer cylinder, 3) the ice slid only on the cylinder surface. A cyclic stick-slip motion of the piston was detected with a representative frequency of 0.1 Hz. The ratio of the mean rate of axial displacement to the frequency of the stick-slip oscillations was found to be comparable to the roughness length (Sm). The roughness is the most influential parameter affecting the amplitude of the oscillations, while the load has a relevant influence on the their frequency. Guidelines for further investigations were recommended. Marco Nanetti - seloselo@virgilio.it

Swarm constructability: designing through embedded tectonic behaviors in swarm robotic systems

Con questa tesi di laurea si muovono i primi passi di una ricerca applicata finalizzata alla costruzione-deposizione di materiale da parte di sciami di mini-robot dal comportamento indipendente che si coordinano tramite segnali lasciati e rilevati nell’ambiente in cui si muovono. Lo sviluppo di tecniche di progettazione e fabbricazione digitale ha prodotto un aumento nel grado di interconnessione tra tecnologia e design, dunque, di nuove possibilità tettoniche. Le relazioni tettoniche tradizionali stanno infatti subendo una trasformazione radicale, potendo essere esplicitamente informate e dunque mediate attraverso gli strumenti digitali dall’ideazione alla produzione. Questa mediazione informata del contenuto tettonico (che opera costantemente) è distintivo di un approccio material-based alla progettazione che aumenta l’integrazione tra struttura, materia e forma entro le tecnologie di fabbricazione (R.Oxman). Dei numerosi processi di fabbricazione per l’architettura che si servono di tecnologia robotica, pochi sono capaci di superare la logica gerarchica, rigida e lineare-sequenziale che serve di fatto agli obiettivi di automazione ed ottimizzazione. La distribuzione di forme di intelligenza semplificata ad un numero elevato di unità robot è quindi qui proposta come alternativa al modello appena descritto. Incorporando semplici decisioni di carattere architettonico negli agenti-robot che costituiscono il sistema distribuito di entità autonome, la loro interazione e le decisioni prese individualmente producono comportamento collettivo e l’integrazione delle suddette relazioni tettoniche. Nello sviluppo del progetto, si è fatto così riferimento a modelli comportamentali collettivi (di sciame) osservabili in specie comunitarie che organizzano strutture materiali -come termiti e vespe- ed in organismi semplici -come le muffe cellulari della specie Physarum polycephalum. Per queste specie biologiche il processo di costruzione non dipende da un ‘piano generale’ ma è guidato esclusivamente da azioni dei singoli individui che comunicano lasciando tracce chimiche nell’ambiente e modificano il loro comportamento rilevando le tracce lasciate dagli altri individui. A questo scopo, oltre alle simulazioni in digitale, è stato indispensabile sviluppare dei prototipi funzionali di tipo fisico, ovvero la realizzazione di mini-robot dal movimento indipendente, in grado di coordinarsi tra loro tramite segnali lasciati nell’ambiente e capaci di depositare materiale.

Qualitatitive and quantitative analysis of fish spoilage processes for development of new food monitoring systems

This study investigates the growth and metabolite production of microorganisms causing spoilage of Atlantic cod (Gadus morhua) fillets packaged under air and modified atmosphere (60 % CO2, 40 % O2). Samples were provided by two different retailers (A and B). Storage of packaged fillets occurred at 4 °C and 8 °C. Microbiological quality and metabolite production of cod fillets stored in MAP 4 °C, MAP 8 °C and air were monitored during 13 days, 7 days and 3 days of storage, respectively. Volatile compounds concentration in the headspace were quantified by Selective ion flow tube mass spectrometry and a correlation with microbiological spoilage was studied. The onset of volatile compounds detection was observed to be mostly around 7 log cfu/g of total psychrotrophic count. Trimethylamine and dimethyl sulfide were found to be the dominant volatiles in all of the tested storage conditions, nevertheless there was no close correlation between concentrations of each main VOC and percentages of rejection based on sensory evaluation. According to results it was concluded that they cannot be considered as only indicators of the quality of cod fillets stored in modified atmosphere and air.