Produzione di celle batteria richiede ambienti di lavoro con elevati standard di pulizia

Produzione di celle batteria richiede ambienti di lavoro con elevati standard di pulizia

Invasione nei confini della fisica: produzione di una nuova generazione di batterie per auto elettriche che permette solo un'umidità massima dell'aria del 2 percento

Da circa vent'anni i veicoli con propulsione elettrica sono ormai sul mercato. Il motivo per cui, nonostante la loro efficienza energetica e rispetto per l'ambiente, non si siano ancora affermati su larga scala, è principalmente la limitata autonomia dei veicoli elettrici: nelle batterie attualmente disponibili può essere immagazzicata e trasportata solo una quantità di energia relativamente ridotta. Per poter percorrere anche distanze più lunghe con le auto elettriche, le celle energetiche devono quindi diventare più leggere e durevoli. Volkswagen e Varta Microbattery hanno quindi fondato una società di ricerca congiunta per studiare e aumentare le prestazioni delle batterie agli ioni di litio per l'uso nei veicoli. Tuttavia, la produzione delle delicate celle batteria richiede anche ambienti di produzione altamente controllati. Il costruttore di sistemi Nerling ha dovuto spingersi ai limiti del possibile fisico e sviluppare una camera bianca con un'umidità dell'aria costante massima del 2 percento.

?Di solito, l'umidità relativa per le camere bianche si aggira tra il 40 e il 60 percento, garantendo così il comfort per le persone?, spiega Olaf Nerling, amministratore delegato di Nerling Systemräume GmbH. Nel settore automobilistico, invece, si richiedono già il 35 percento per eliminare il rischio di ruggine da contatto causata dall'umidità. Durante la lavorazione di sostanze finemente macinate in polvere nell'industria farmaceutica, l'umidità relativa può scendere fino al 10 percento. ?Le esigenze più elevate attualmente provengono comunque dall'elettronica?, riferisce Nerling. ?Nel caso della produzione di celle agli ioni di litio presso la Volkswagen Varta Microbattery, la società di ricerca mbH & Co KG, si richiedono valori di umidità relativa massimi del 2 percento, indicando un'estrema secchezza.?

L'umidità durante la produzione peggiora le prestazioni delle batterie

L'obiettivo della collaborazione tra Volkswagen e Varta Microbattery è migliorare l'affidabilità, la durata e la densità energetica delle batterie per veicoli elettrici sviluppando proprie celle agli ioni di litio. ?La nostra visione è di rendere la Germania, grazie alla concentrazione di molte innovazioni anche di piccole dimensioni, un sito di produzione competitivo a livello internazionale, soprattutto rispetto al mercato asiatico?, afferma Prof. Dr. Werner Schreiber, amministratore delegato della Volkswagen Varta Microbattery Forschungsgesellschaft mbH & Co. KG.

Durante la produzione di tali celle, le materie prime utilizzate sono esposte agli influssi dell'ambiente. ?Le paste per gli elettrodi vengono applicate su pellicole metalliche, quindi essiccate, calandrate e tagliate?, spiega Schreiber il principio di base della produzione. ?Queste pellicole degli elettrodi vengono poi arrotolate insieme a un separatore. L'arrotolamento dell'elettrodo costituisce il nucleo della cella batteria.? Tuttavia, se le sostanze chimiche durante la lavorazione nel laminatoio (calandra) sono esposte all'umidità, ne cambiano le proprietà. ?Per questo motivo, la sala di produzione deve essere estremamente asciutta, altrimenti la qualità e l'affidabilità della cella batteria ne risentirebbero?, afferma Schreiber. ?Inoltre, la durata della batteria si riduce se durante il processo di produzione è stata esposta a un'umidità ambientale troppo alta.?
Asciugatura ad adsorbimento come nuova tecnologia nel settore del clima

Poiché con le tecnologie di climatizzazione convenzionali non è possibile raggiungere un'umidità dell'aria così bassa, fino al 2 percento, Nerling ha utilizzato, insieme a un partner di cooperazione, la tecnologia relativamente nuova dell'asciugatura ad adsorbimento. La deumidificazione avviene tramite un rotore costituito da una struttura in fibra di vetro ondulata che contiene gel di silice come materiale di adsorbimento. ?L'aria di processo viene soffiata attraverso il rotore per deumidificare, cedendo la sua umidità al materiale di adsorbimento e uscendo come aria secca nella camera bianca?, spiega il direttore. ?Ruotando, il rotore viene alimentato con aria calda in una zona separata, che rimuove l'umidità accumulata dal rotore e la disperde nell'aria esterna.?

Un'altra sfida per la deumidificazione permanente è stata determinare con precisione il livello di umidità. ?Qui ci troviamo ai limiti del possibile fisico?, dice Nerling. ?I sensori di umidità tradizionali non riescono più a rilevare valori così bassi come il 2 percento di umidità relativa o meno.? I sensori di umidità dovrebbero poter rilevare singole molecole d'acqua. Per questo motivo, si è ricorso a un'altra tecnologia di misurazione: l'umidità nel ambiente viene ora determinata tramite sensori di temperatura di punto di rugiada speciali. Un punto di rugiada del -30°C corrisponde a un'umidità relativa del 2 percento. ?Con questo metodo di misurazione alternativo, si può determinare un'umidità fino a un punto di rugiada di -90°C?, afferma Nerling. ?In un prossimo progetto, cercheremo per la prima volta di raggiungere, in questo modo, un'umidità relativa inferiore all'1 percento o un punto di rugiada di -60°C.?

Soluzione completa comprensiva di gru

La camera bianca di 15,5 x 5,6 metri è stata montata in un capannone della società di ricerca Volkswagen Varta Microbattery a Ellwangen, in condizioni di produzione, e collegata tramite una porta di collegamento a una camera di deumidificazione già esistente. Altre richieste includevano una temperatura ambiente di 20°C e una pulizia conforme alla classe ISO 8. ?Oltre ai costi, anche i tempi di consegna brevi e il rispetto delle scadenze sono stati fattori importanti, poiché dovevamo rispettare assolutamente le date di consegna e installazione delle altre apparecchiature?, spiega Schreiber.

La decisione di affidare il progetto al costruttore di sistemi del Baden-Württemberg si è basata sulla sua vasta competenza in tutti i settori. Per esempio, è stato necessario un ponteggio da 10 tonnellate all’interno della camera bianca, che permette di rimuovere il rullo della calandra per revisioni. ?Nerling è stato l’unico fornitore in grado di offrirci una soluzione completa chiavi in mano, comprendente la camera bianca, la tecnologia di climatizzazione e il ponteggio?, giustifica Schreiber. Poiché la struttura di laminazione ha le dimensioni più grandi tra tutte le componenti della camera bianca, la sua altezza in questa zona doveva superare i 5,5 metri. Per evitare uno spazio inutilizzato sopra il resto dell’edificio e costi di climatizzazione superflui, l’altezza della stanza è stata progettata in gran parte a 3,3 metri, con un cupola sopra il calandra.

Lamiera di alluminio per prevenire danni da scariche elettrostatiche

?Un altro problema con un'umidità relativa del 2 percento è che le scariche elettrostatiche non possono più essere scaricate tramite l'aria e un normale pavimento in PVC?, spiega Nerling. Tuttavia, si rischia che, attivando il sistema di controllo delle macchine, si generino scintille che danneggerebbero le apparecchiature. La soluzione è una pavimentazione appositamente sviluppata dal costruttore di sistemi, costituita da una lamiera di alluminio a tenuta di diffusione di vapore. Questa pavimentazione garantisce anche a livelli di umidità estremamente bassi la dispersione delle cariche. Un altro elemento cruciale per mantenere costante l'umidità della stanza è la tenuta dell'intero sistema. Le pareti esterne e le finestre della camera bianca sono state progettate con precisione per evitare fessure d'aria verso l'ambiente circostante. Come accesso, sono presenti una camera di carico e una di passaggio, entrambe dotate di porte a chiusura reciproca, per impedire l'ingresso di umidità. La seconda porta si apre solo dopo il ciclo di spurgo, cioè quando il sistema di climatizzazione ha rimosso l'umidità.?

In questo ambiente di produzione adattato alle esigenze specifiche, sono ormai in corso le ricerche della joint venture per ottimizzare la chimica delle celle e le metodologie di produzione. Il progetto di cooperazione tra Volkswagen e Varta Microbattery ha una durata iniziale di quattro anni ed è finanziato dal Ministero federale dell'economia e della tecnologia. ?Se l'interesse per la mobilità elettrica continuerà a crescere nella nostra società e il progetto pilota avrà successo, puntiamo a una grande impresa per la produzione in serie di queste celle per auto elettriche?, afferma Schreiber con uno sguardo al futuro.

Immagine: Nerling Systemräume GmbH