L'angolare deve diventare rotondo

Caratterizzazione morfologica dell'elettrolita solido e del catodo composito. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Elettrolita per il corpo solido dopo la rivestitura sul conduttore di corrente. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Le batterie con la massima energia possibile sono particolarmente richieste per i veicoli elettrici. Il Fraunhofer IPA lavora su batterie a stato solido, che dovrebbero avere una densità energetica di quasi il doppio rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio, con 700 wattora per chilogrammo. I gemelli digitali dovrebbero aiutare a superare le barriere esistenti per la produzione di massa.

All'Istituto Fraunhofer per la tecnologia di produzione e automazione IPA, ci si concentra su tecnologie in cui l'upscaling dal modello di laboratorio alla produzione industriale sembra fattibile. Fondamentale è che le nuove batterie possano essere prodotte con alcune modifiche anche su impianti esistenti. Come prodotto finale, si prevede che le celle cilindriche nel formato comune 21700 vengano prodotte in serie, con un diametro di 21 millimetri e una lunghezza di 70 millimetri.

Produttori come VARTA AG, un partner del progetto Fraunhofer IPA per la ricerca sulle batterie, si sono concentrati su queste celle cilindriche per una buona ragione. Singole di queste celle sono più facili da verificare in un modulo batteria e da sostituire in caso di eventuali difetti. Gli spazi vuoti tra le celle consentono di dissipare il calore. Spesso le celle vengono ancora utilizzate come trasportatori di energia in altre applicazioni dopo che la batteria dell'auto è stata dismessa. Le celle cilindriche standardizzate rendono tutto questo più semplice.

Materiale fragile presenta sfide

Le celle di batterie a stato solido, a differenza di una batteria agli ioni di litio, non contengono liquido come elettrolita, ma un elettrolita solido ceramico o sulfuroso, cioè contenente zolfo. Anche gli elettroliti polimerici sono un'opzione, ma richiedono temperature di esercizio più elevate, superiori ai 60 gradi Celsius. Attualmente, le celle sono principalmente costituite da celle pouch piatte e rettangolari. Gli sviluppi attuali nel campo degli elettroliti ceramici a stato solido presso il Fraunhofer IPA mirano ad accelerare il processo di sinterizzazione del materiale ceramico e a creare già in questa fase la geometria desiderata per l'uso successivo nella batteria. Tuttavia, la fragilità del materiale rende difficile la lavorazione e l'avvolgimento in una cella cilindrica.

Per l'uso in celle cilindriche, gli elettroliti di tipo sulfuroso offrono un vantaggio decisivo. Con la giusta lavorazione, è possibile creare strati flessibili che sono stabili anche con ristretti raggi di avvolgimento. Inoltre, la famiglia di elettroliti inorganici Thio-LISICON-Sulfid mostra risultati promettenti per la conduttività ionica a basse temperature. Tuttavia, nonostante gli elettroliti sulfuroso abbiano eccellenti capacità di conduzione degli ioni e possano competere con gli elettroliti liquidi organici, al momento sono molto più costosi. La costruzione di capacità produttive adeguate può rendere possibile una produzione economica di elettroliti a base di sulfuro.

La produzione industriale di batterie a stato solido è ancora lontana. Attualmente, queste batterie sono principalmente costruite con il litio come anodo, il che comporta sfide particolari per l'ambiente di assemblaggio. Per evitare che il materiale reagisca con l'ossigeno o l'umidità dell'aria, oltre a costose condizioni di atmosfera secca, sono necessari anche ambienti di produzione sigillati con gas protettivi come l'argon. Ricercatori del Fraunhofer IPA stanno studiando come produrre batterie a stato solido in condizioni moderate. «Un approccio promettente è la deposizione in situ del metallo di litio. In questo modo, gli ioni di litio presenti nella catodo formano un strato sulla superficie dell'elettrodo negativo durante la prima carica», spiega Duygu Kaus del Centro per la produzione digitale di celle batteria (ZDB). Serie di prove devono dimostrare quale materiale di superficie sia il migliore per la formazione in situ dell'anodo.

Il gemello digitale supporta lo sviluppo delle celle e l'ottimizzazione della produzione

Per scoprire quali parametri sono più adatti alla produzione, finora è stato necessario condurre ampi test, non solo in laboratorio, ma anche in condizioni di produzione industriale scalabili. Il consumo di materiali sarebbe elevato e ogni modifica influirebbe su ulteriori passaggi nella catena di processo.

«Una soluzione più elegante è il Gemello Digitale. Assiste l'operatore o l'operatrice in produzione grazie alle sue capacità di monitoraggio, analisi e previsione», afferma Soumya Singh del ZDB. Il Gemello Digitale è un modello virtuale di singoli passaggi di processo o di intere linee di produzione, che viene continuamente arricchito con dati operativi aggiuntivi. Il Gemello Digitale aiuta gli ingegneri a simulare il comportamento futuro della produzione con diverse configurazioni e a valutarne gli effetti in anticipo. Alimentato da ampie fonti di dati provenienti dalla produzione, il Gemello Digitale fornisce informazioni sull'efficienza di singoli passaggi di processo, ma anche sugli effetti di diversi parametri di lavorazione sulla qualità dei prodotti intermedi, sui tempi di processo e sulla loro stabilità. Ad esempio, con il Gemello Digitale si può determinare sul computer dell'operatore come dovrebbero essere i passaggi di lavorazione di un elettrodo affinché alla fine sia elastico abbastanza da poter essere avvolto.

Dopo l'implementazione, il Gemello Digitale è sincronizzato con il passo di produzione e viene continuamente aggiornato con dati attuali provenienti dalla produzione. Monitora ora la stabilità della produzione e diventa parte integrante della gestione della qualità.