Offensiva di qualità per batterie migliori

Con nuovi metodi di AQua, la qualità del rivestimento degli elettrodi può essere controllata automaticamente. (Foto: Irina Westermann, KIT)

Produzione di un pile di elettrodi in laboratorio. Le linee di produzione semi-automatiche garantiscono una produzione flessibile. (Foto: Markus Breig, KIT)

Potente, resistente e sicure: con queste caratteristiche e un prezzo conveniente, le batterie "Made in Germany" potrebbero presto raggiungere la vetta mondiale. A tal fine, vengono sviluppati e testati, tra l'altro, approcci avanzati per il controllo di qualità e l'analisi durante la produzione, attualmente in fase di sviluppo presso l'Istituto di Tecnologia di Karlsruhe (KIT). Il lavoro nel cluster di ricerca sulle batterie AQua si svolge in stretta collaborazione con partner di ricerca all’interno della "Fattoria di Ricerca sulle Batterie", iniziativa del Ministero Federale dell'Istruzione e della Ricerca (BMBF).

Garantire alta qualità a costi possibilmente bassi – questo è l’obiettivo dei ricercatori e delle ricercatrici di una nuova piattaforma di ricerca, avviata presso il KIT come parte del cluster di competenza sulle batterie AQua (che sta per: Analisi/Controllo di Qualità). Per farlo, analizzano inizialmente ogni fase di produzione, dai materiali di partenza fino alla cella finita, per identificare eventuali fonti di errore. Successivamente, intendono ottimizzare e automatizzare la gestione degli errori durante la produzione in corso, in modo che alla fine si possa garantire una qualità costante e elevata. "In produzione, ogni passaggio deve essere perfetto. Tutto è coordinato e ogni errore può influire sulle prestazioni future delle celle", afferma il Professor Helmut Ehrenberg dell'Istituto di Materiali Applicati (IAM-ESS) del KIT, che coordina le attività di ricerca. "La capacità analitica e il controllo di qualità hanno quindi un'influenza determinante sulla qualità, sicurezza e costi di una cella." Le soluzioni vengono sviluppate dai ricercatori con metodi di controllo integrato della produzione e implementate in tutta la catena di processo.

Ricerca sul riconoscimento automatico degli errori

Per riconoscere il prima possibile eventuali errori critici nel processo di produzione e interpretarli correttamente, i ricercatori e le ricercatrici nei progetti AQua lavorano anche secondo il principio dell’Analisi dei Modi di Guasto e dei loro Effetti (FMEA). "In questo modo, introduciamo errori in modo mirato e controllato per quantificare con precisione la relazione tra un'interruzione e le sue conseguenze sulle celle", spiega la Dott.ssa Lea de Biasi, una delle ricercatrici del progetto. "Definendo criteri di prestazione specifici come obiettivi di qualità, possiamo stabilire limiti di tolleranza per tutte le fasi rilevanti del processo." Questi vengono poi applicati direttamente nel processo di produzione. AQua sviluppa anche metodi per rilevare in tempo reale influenze critiche – come l’omogeneità del rivestimento degli elettrodi o l’umidità residua dei componenti all’inizio della costruzione della cella. Nel riconoscimento automatico degli errori, i sottoprodotti vengono controllati immediatamente dopo ogni fase del processo e i pezzi difettosi vengono scartati. "Inoltre, è possibile risalire alle cause degli errori", afferma de Biasi. "In questo modo, possiamo eliminare tempestivamente le interruzioni del processo e prevenire costi aggiuntivi dovuti allo scarto."

Infrastruttura dati per un rapido trasferimento di ricerca

La nuova piattaforma di ricerca è integrata da un progetto di accompagnamento, coordinato presso il KIT dal Dr. Michael Selzer dell’Istituto di Materiali Applicati – Scienza Computazionale dei Materiali (IAM-CMS). Tra gli altri obiettivi, si tratta di favorire lo scambio tra la piattaforma e gli altri cluster di competenza sulle batterie della "Fattoria di Ricerca sulle Batterie" e di promuovere collaborazioni con l’industria. Al centro c’è però la creazione di un’infrastruttura dati: "Negli esperimenti e nelle simulazioni su larga scala nel progetto AQua, raccogliamo grandi quantità di dati che devono essere analizzati tramite procedure specifiche e flussi di lavoro standardizzati", afferma Selzer. "Con l’infrastruttura dati, creiamo un accesso sostenibile a questi dati di ricerca e agli strumenti di analisi." Questo rappresenta un contributo decisivo alla garanzia della qualità e anche al trasferimento di ricerca nel settore della produzione di batterie, sottolinea la Prof.ssa Britta Nestler del IAM-CMS, che supporta significativamente il progetto come esperta di simulazione microstrutturale. "Vogliamo sviluppare in AQua una comprensione completa e trasversale di come l’interazione tra materiali, fasi di produzione e caratteristiche elettrochimiche influenzi le strutture e le proprietà delle batterie."