Dalla preparazione delle materie prime al riciclo: Nuove vie nella produzione di batterie

12 dei 24 raggi parziali in uso: L'ottica sviluppata da Pulsar Photonics struttura la banda larga di 300 mm dell'anodo della batteria utilizzando i raggi parziali individuali. Ciò migliora significativamente la densità di potenza e la capacità di ricarica. © Pulsar Photonics GmbH

Il laser a diodi ad alta potenza del progetto di ricerca IDEEL rende la produzione in serie di batterie agli ioni di litio significativamente più sostenibile ed economica grazie al processo roll-to-roll. © Fraunhofer ILT, Aachen, Germania

Aurora Powertrains ha commissionato al Fraunhofer ILT lo sviluppo di un sistema di saldatura laser su misura per la sua batteria modulare e scalabile per motoslitte. La batteria impermeabile e antipolvere con classificazione IP67 ha una densità energetica di oltre 190 Wh/kg. © Aurora Powertrains

Saldatura a laser di celle della batteria con laser blu. © Fraunhofer ILT, Aachen / Laser welding of battery cells with a blue laser. © Fraunhofer ILT, Aachen, Germany

Il braccio oscillante dell'auto con sensore di forza stampato fornisce in qualsiasi momento le forze in azione durante l'uso e registra le più piccole crepe che si verificano prima che si sviluppi un difetto. © Fraunhofer ILT, Aachen

Sulla piastra si possono applicare strutture tecniche e qualsiasi geometria tramite stampa a getto d'inchiostro. Successivamente, gli elementi del altoparlante vengono singolarmente separati e integrati in un ambiente elettronico. © Fraunhofer ILT, Aachen / Strutture tecniche e qualsiasi forma geometrica possono essere applicate alla piastra mediante stampa a getto d'inchiostro, mentre la funzionalizzazione viene eseguita utilizzando radiazioni laser. Gli elementi individuali dell'altoparlante vengono poi separati e integrati in un ambiente elettronico. © Fraunhofer ILT, Aachen, Germania

Rimozione senza contatto e dissaldatura di componenti di schede elettroniche mediante laser nel processo di riciclaggio del progetto "ADIR". © Fraunhofer ILT, Aachen / Esposizione e dissalda senza contatto di componenti di schede elettroniche usando radiazioni laser in un processo di riciclaggio del progetto "ADIR". © Fraunhofer ILT, Aachen, Germania

Con laser e intelligenza artificiale per una produzione sostenibile di batterie: efficiente in termini di costi e affidabile nella produzione. © Fraunhofer ILT, Aachen

Utilizzo di laser e intelligenza artificiale per una produzione sostenibile di batterie: produzione efficiente in termini di costi e affidabile. © Fraunhofer ILT, Aachen, Germania

La produzione di batterie è al centro delle politiche industriali e climatiche globali. Con la crescente domanda mondiale di sistemi di accumulo di energia per la mobilità elettrica e applicazioni stazionarie, aumenta anche l'importanza di una produzione efficiente, sostenibile e indipendente dalla regione.

Soprattutto le condizioni quadro della produzione di batterie pongono le aziende di fronte a sfide immense: la dipendenza da materie prime come litio, cobalto e nichel provoca tensioni geopolitiche. Allo stesso tempo, le catene di approvvigionamento diventano sempre più fragili a causa di crisi globali e costi di trasporto in aumento. L'Europa si trova quindi di fronte alla sfida di costruire una catena del valore resiliente, che comprenda sia l'estrazione delle materie prime che la lavorazione successiva e il riciclo – dopotutto, le batterie usate rappresentano la risorsa di litio più abbondante in Germania. Inoltre, i processi di produzione devono poter essere adattati in modo flessibile a nuovi concetti di batterie, come le batterie a stato solido o a ioni di sodio, per motivi di sicurezza degli investimenti.

Di fronte a queste sfide, è chiaro che il futuro della produzione di batterie in Europa può essere garantito solo attraverso l'uso delle tecnologie più moderne. In particolare, la tecnologia laser offre soluzioni per soddisfare le esigenze centrali – efficienza, precisione e sostenibilità. Che si tratti di lavorazione dei materiali, produzione di elettrodi o riciclo: senza processi laser innovativi, una produzione di batterie competitiva e sostenibile in Europa è difficile da immaginare.

Preparazione delle materie prime e raffinamento dei materiali: base di una produzione sostenibile di batterie

Materiali come litio e nichel sono ancora componenti delle celle di batteria attuali. Le loro proprietà chimiche e fisiche consentono alte densità di energia e lunga durata, ma l'estrazione e la lavorazione comportano problemi complessi.

Tuttavia, le tecnologie delle batterie si sviluppano rapidamente, con l'obiettivo di minimizzare l'uso di materie prime rare e costose. Già nel 2021, CATL ha presentato una batteria a ioni di sodio che rinuncia completamente a litio e cobalto. Nell'aprile 2024, il produttore cinese di batterie ha introdotto una batteria al litio ferro fosfato (LFP) priva di cobalto, con un'autonomia superiore a 1000 chilometri. In soli dieci minuti, può caricarsi abbastanza energia per 600 chilometri, corrispondenti a una velocità di ricarica di un chilometro al secondo.

Toyota prevede di utilizzare batterie a stato solido a partire dal 2025 nei veicoli ibridi. Nissan ha avviato in Giappone uno stabilimento di prototipi per batterie a stato solido laminato. Panasonic ha presentato una batteria a stato solido per droni. VW e Mercedes, Ford e BMW sono prossimi all'introduzione di batterie a stato solido o hanno stretto partnership strategiche.

Un approccio chiave per le nuove tecnologie di batterie è la raffinazione dei materiali a livello nanometrico, in cui le materie prime vengono trattate e funzionalizzate in modo mirato per massimizzare le prestazioni nelle batterie. Questa ricerca è condotta dal dipartimento di Tecnologia delle Superfici e Formatura presso l'Istituto Fraunhofer per la Tecnologia Laser. Le moderne tecnologie laser consentono interventi precisi sulla struttura dei materiali riducendo contemporaneamente il consumo di risorse.

Un altro esempio di successo nell'uso delle tecnologie laser si trova nella collaborazione tra il Fraunhofer ILT, il Lehrstuhl für Lasertechnik LLT dell'RWTH Aachen, TRUMPF e il Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY. Grazie all'uso di raggi X di un acceleratore di particelle, sono stati ottenuti approfondimenti sui processi di saldatura laser. È stato dimostrato che l'uso di laser a lunghezza d'onda verde migliora l'utilizzo dei materiali e riduce gli scarti. Questi risultati offrono vantaggi non solo tecnologici, ma contribuiscono anche a una produzione più sostenibile.

»Questi progetti dimostrano che l'innovativa tecnologia laser può non solo affrontare le sfide dell'estrazione delle materie prime, ma anche consentire una produzione di batterie sostenibile e competitiva in Europa«, spiega il Dr. Alexander Olowinsky, responsabile del dipartimento di Fissaggio e Separazione presso il Fraunhofer ILT.

Produzione di elettrodi: innovazioni per una produzione sostenibile

La rivestitura dei film conduttori (rame o alluminio) con i materiali degli elettrodi per anodo e catodo e la loro successiva essiccazione sono passaggi decisivi che influenzano sia la densità energetica che la durata del ciclo delle batterie. Tuttavia, i metodi di essiccazione convenzionali basati su forni a convezione comportano un elevato consumo energetico e richiedono molto spazio, limitando la sostenibilità e l'efficienza della produzione di batterie.

Il progetto IDEEL (Implementation of Laser Drying Processes for Economical & Ecological Lithium Ion Battery Production), finanziato dal Ministero federale dell'istruzione e della ricerca, mostra come l'essiccazione laser può risolvere queste sfide: nel progetto, per la prima volta, è stata realizzata l'essiccazione di anodi e catodi nel processo roll-to-roll utilizzando un laser a diodi ad alte prestazioni. Questo metodo riduce significativamente il consumo energetico, raddoppia la velocità di essiccazione e dimezza lo spazio richiesto.

»L'essiccazione laser non solo permette una gestione più efficiente del processo, ma contribuisce anche a migliorare significativamente il bilancio di CO₂ della produzione di batterie«, spiega il Dr. Samuel Moritz Fink, responsabile del gruppo di Verfahren a film sottile presso il Fraunhofer ILT. Fink e il suo team hanno sviluppato un modulo di essiccazione laser con ottica e monitoraggio del processo adattati, garantendo un'essiccazione uniforme. Questo approccio offre anche flessibilità: i forni a convezione esistenti possono essere aggiornati con la tecnologia laser, facilitando l'integrazione nelle linee di produzione esistenti.

In un altro progetto di ricerca, il Fraunhofer ILT utilizza un'ottica multi-fascio appositamente sviluppata. Questa suddivide il fascio laser in più sotto-fascio che lavorano contemporaneamente su una banda larga 250 millimetri di un anodo di batteria agli ioni di litio. Questa strutturazione ad alta precisione aumenta la densità di energia e la capacità di ricarica rapida.

La produzione di elettrodi beneficia anche dell'integrazione dell'intelligenza artificiale nel processo di fabbricazione. Ricercatori del Fraunhofer ILT stanno studiando come sistemi supportati dall'IA possano ottimizzare i parametri di processo. Tali sistemi potrebbero non solo migliorare qualità e produttività, ma anche porre le basi per una produzione autonoma.

Assemblaggio delle celle: precisione ed efficienza grazie a tecnologie innovative

Oltre all'essiccazione degli elettrodi, anche il collegamento preciso dei materiali degli elettrodi svolge un ruolo centrale nelle prestazioni e nell'affidabilità delle batterie. Qui, la saldatura laser microscopica si è affermata come tecnologia chiave. Permette di unire materiali come rame e alluminio senza contatto, con alta precisione, essenziali per gli elettrodi delle batterie. Grazie al basso carico termico, la chimica delicata delle celle rimane intatta, mentre la conducibilità elettrica viene ottimizzata grazie alla riduzione delle resistenze di contatto. La saldatura laser microscopica combina flessibilità ed efficienza, superando le capacità dei metodi di saldatura tradizionali.

Le esigenze di saldatura laser microscopica variano a seconda del formato della cella, poiché ogni tipo presenta sfide specifiche di contatto. Le celle cilindriche richiedono una profondità di saldatura precisa per garantire la conducibilità elettrica e allo stesso tempo evitare danni da surriscaldamento. La sfida principale riguarda il contatto del polo negativo, poiché un eccesso di calore potrebbe danneggiare la delicata guarnizione in polimero, con il rischio di fuoriuscita dell'elettrolita. Per le celle pouch, caratterizzate da design flessibile e alta densità di energia, è importante evitare saldature attraverso le pellicole sensibili.

Un sviluppo promettente nell'assemblaggio delle celle è il progetto XProLas, realizzato da TRUMPF in collaborazione con il Fraunhofer ILT e altri partner. L'obiettivo è sviluppare sorgenti di raggi X compatte e a laser, che consentano di effettuare controlli di qualità sul posto, direttamente presso il produttore, invece di affidarsi a grandi acceleratori di particelle come finora. Questa tecnologia permette di analizzare in tempo reale le celle di batteria, monitorando con precisione i processi di carica e scarica e la qualità dei materiali. In particolare, l'analisi del materiale del catodo, che determina in modo decisivo le prestazioni e la durata di una batteria, apre nuove possibilità. »Grazie all'uso di brillanti sorgenti di raggi X, possiamo individuare contaminazioni e difetti dei materiali in anticipo, riducendo significativamente i tempi di sviluppo«, spiega l'ingegnere Hans-Dieter Hoffmann, responsabile dei sistemi laser e ottici presso il Fraunhofer ILT.

Anche qui, l'integrazione dell'intelligenza artificiale apre potenzialità aggiuntive: sistemi supportati dall'IA possono monitorare e regolare i parametri di processo in tempo reale. Ciò consente di individuare e correggere tempestivamente le deviazioni, creando le basi per una produzione autonoma. La visione di una produzione «first-time-right», in cui tutte le componenti vengono assemblate senza errori al primo passaggio, diventa così più vicina.

Produzione di moduli e pacchi: efficienza e precisione grazie alle tecnologie laser

Successivamente, le singole celle vengono collegate per formare moduli o pacchi. Soprattutto a livello di modulo, la precisione riveste un ruolo cruciale, poiché è necessario integrare più saldature senza aumentare il carico termico sulle celle sensibili. Processi laser come la saldatura microscopica consentono un adattamento su misura a queste esigenze.

Una delle innovazioni principali dell'Istituto Fraunhofer ILT è lo sviluppo di procedure che permettono di unire in modo sicuro e preciso materiali come alluminio e rame – entrambi con proprietà fisiche molto diverse. Grazie alla moderna guida del fascio laser, è possibile controllare la profondità di saldatura per non danneggiare le celle sensibili.

»Questa tecnologia è fondamentale per la produzione di moduli e pacchi che devono funzionare in modo affidabile in condizioni estreme, come alte correnti e stress termici«, spiega Olowinsky. Un esempio è la saldatura laser di grandi celle cilindriche, sviluppata presso l'istituto di Aachen in collaborazione con partner come EAS Batteries GmbH. Si assicura una connessione stabile e durevole tra le celle, garantendo lunga durata e basse percentuali di guasto.

Oltre alla saldatura laser, si è affermata anche la brasatura laser, soprattutto per il collegamento di componenti sensibili al calore. Questa tecnica opera a temperature più basse rispetto ai metodi di saldatura tradizionali, preservando l'elettronica sensibile all'interno dei moduli. Ciò aumenta l'affidabilità dei pacchi batteria e contribuisce all'efficienza energetica della produzione.

Gestione delle batterie e integrazione di sensori: intelligenza per sistemi di batterie a prova di futuro

La gestione delle batterie rappresenta una delle sfide principali dei sistemi di accumulo energetico moderni. La sicurezza, la durata e le prestazioni delle batterie dipendono in modo determinante – e anche l'accettazione della mobilità elettrica. Progressi nell'integrazione di sensori e l'uso dell'IA offrono possibilità trasformative per soddisfare queste esigenze.

Tradizionalmente, le batterie vengono monitorate a livello macroscopico, il che fornisce solo una visione limitata dei processi complessi all'interno delle celle. Qui, l'integrazione di sensori durante la produzione apre nuove possibilità. Ricercatori del Fraunhofer ILT stampano sensori direttamente sui componenti o integrano dispositivi intelligenti. Questi sensori consentono il monitoraggio in tempo reale, ad esempio della temperatura, delle forze o anche delle variazioni chimiche all'interno delle batterie.

»Con sensori prodotti mediante additive manufacturing, possiamo monitorare continuamente lo stato dei moduli di batteria e reagire tempestivamente a eventuali errori«, spiega Samuel Fink. Questi sensori sono spessi solo pochi micrometri, precisi e resistenti alle sollecitazioni meccaniche e termiche, rendendoli ideali per l'uso nelle batterie e nei moduli. La loro capacità di fornire dati costanti permette una manutenzione predittiva, che può individuare i difetti prima che si manifestino.

Tuttavia, l'integrazione dei sensori da sola non basta a realizzare una manutenzione predittiva. I sensori possono rilevare variazioni nella chimica delle celle, mentre gli algoritmi di IA analizzano questi dati e prevedono la durata delle celle. Ricercatori del dipartimento «Data Science e Misure» del Fraunhofer ILT stanno sviluppando algoritmi supportati dall'IA che analizzano grandi quantità di dati provenienti dai sensori in tempo reale. Questi sistemi permettono anche di adattare dinamicamente i processi, ad esempio ottimizzando i profili di temperatura durante l'assemblaggio delle celle o regolando i parametri di saldatura laser.

Riciclo e riutilizzo: il percorso verso un'economia circolare nella tecnologia delle batterie

Con il boom della tecnologia delle batterie cresce anche la necessità di strategie sostenibili per il recupero di materie prime preziose. Una gestione efficace del ciclo di vita è indispensabile per ridurre la dipendenza dalle risorse primarie e minimizzare l'impatto ambientale della produzione di batterie.

Nel progetto UE ADIR, il Fraunhofer ILT, con otto partner di tre paesi, sviluppa un concetto di riciclo sostenibile per dispositivi elettronici. Nel progetto ACROBAT, si mira a sviluppare un metodo di riciclo per le batterie al litio ferro fosfato prima che esse penetrino massicciamente nel mercato. L'obiettivo è recuperare oltre il 90% dei materiali critici. In collaborazione con partner come Accurec Recycling, il Fraunhofer ILT lavora a processi innovativi di separazione e trattamento, che siano ecologici ed economicamente sostenibili. Gli esperti di Aachen sviluppano un metodo di caratterizzazione inline per valutare con precisione la qualità dei materiali attivi.

L'analisi spettroscopica laser (LIBS) permette di identificare e separare con precisione composizioni complesse di materiali. I ricercatori intendono adattare questa tecnologia al riciclo di batterie usate, migliorando ad esempio il recupero di metalli come cobalto e tantalio. Anche qui, l'integrazione dell'IA può analizzare in tempo reale i grandi dati provenienti dalle misurazioni laser e ottimizzare i processi. Questa sorveglianza supportata dall'IA consente di adattare dinamicamente i parametri di riciclo, riducendo gli scarti e migliorando la qualità delle materie prime riciclate.

Conclusioni e prospettive

La produzione di batterie è al centro della svolta verso la mobilità elettrica e rappresenta un focus di innovazioni che combinano efficienza, sostenibilità e eccellenza tecnologica. Le tecnologie e gli sviluppi presentati lungo tutta la catena di produzione mostrano come le procedure laser più moderne possano aprire la strada a un'industria delle batterie sostenibile e competitiva – dalla preparazione delle materie prime, alla produzione di elettrodi, all'assemblaggio delle celle e al riciclo. Contemporaneamente, sistemi di analisi e controllo supportati dall'IA creano una nuova dimensione nel controllo dei processi, migliorando la qualità della produzione e la sostenibilità, e contribuendo a ridurre ulteriormente i costi.

In prospettiva, i cicli di controllo supportati dall'IA potrebbero consentire una produzione autonoma, in cui i processi si adattano in tempo reale alle condizioni variabili. Inoltre, sorgenti di raggi X laser e tecnologie di caratterizzazione inline offrono nuove opportunità per il controllo di qualità e l'analisi dei materiali.