Produzione ecologica di elettrodi per batterie

I processi convenzionali per la produzione di elettrodi per batterie coinvolgono principalmente solventi tossici e richiedono molto spazio ed energia. Questo non è il caso del nuovo processo di verniciatura a secco DRYtraec, sviluppato dal Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS. La tecnologia è rispettosa dell’ambiente ed economicamente vantaggiosa e può essere utilizzata su larga scala, dandogli il potenziale per rivoluzionare la produzione di elettrodi per batterie.

Il Ministero Federale dell’Economia e dell’Energia (BMWi) prevede che la Germania consumerà circa 655 terawattora nell’anno 2030, con un aumento di quasi il 20% rispetto ad oggi. Prognos AG ha condotto uno studio corrispondente per conto del ministero. Questa cifra è una stima iniziale; i risultati finali dovrebbero essere disponibili in autunno. Tuttavia, è chiaro che la domanda complessiva di energia della società è in continuo aumento. Il settore dell’elettromobilità, in rapida crescita, è quindi alla ricerca di nuovi modi per ridurre l’energia necessaria per produrre le batterie e quindi progettarle in modo che siano il più convenienti e rispettose dell’ambiente possibile. DRYtraec è una soluzione promettente sviluppata da un team di ricerca interdisciplinare presso il Fraunhofer IWS di Dresda che si concentra sulla produzione degli elettrodi della batteria.

Un componente chiave di qualsiasi batteria, gli elettrodi sono normalmente costituiti da una lamina metallica con un rivestimento sottile. Questo rivestimento contiene i componenti attivi responsabili dell’accumulo di energia. “Il processo di rivestimento convenzionale utilizza un metodo chimico umido che applica ciò che è noto come impasto liquido”, spiega il Dr. Benjamin Schumm, Group Manager for Chemical Coating Technologies presso Fraunhofer IWS. Il materiale attivo, il carbone conduttivo e i leganti vengono dispersi in un solvente per formare una sorta di pasta, che viene inizialmente applicata alla lamina metallica per formare un rivestimento umido. “Sono necessarie macchine estremamente grandi con piste di essiccazione molto lunghe per garantire che il solvente evapori in seguito. Con DRYtraec, possiamo progettare questo processo in modo più efficiente”.

Legante speciale e forze di taglio da rulli rotanti

Il nuovo processo di rivestimento utilizza essenzialmente materie prime simili a quelle del processo di impasto liquido. La tecnologia di rivestimento a secco sviluppata presso Fraunhofer IWS funziona senza solventi, ma utilizza invece un legante speciale. Insieme, i materiali formano una miscela secca che viene alimentata in uno spazio vuoto della calandra tra due rulli che ruotano in direzioni opposte. Il dettaglio cruciale è che uno dei rulli deve girare più velocemente dell’altro. Ciò induce una forza di taglio, che assicura che il legante formi reti filiformi note come fibrille.

“Immaginatelo come una ragnatela che incorpora meccanicamente le particelle”, dice Schumm. La pressione e il movimento formano una sottile pellicola sul rullo a rotazione più rapida. Questo film viene quindi trasferito in un secondo spazio di calandra su un foglio di raccolta di corrente. Ciò consente di rivestire entrambi i lati contemporaneamente senza un lavoro aggiuntivo significativo. Nella fase finale, la bobina risultante viene tagliata alla dimensione richiesta e le singole parti vengono impilate in modo appropriato per produrre la cella della batteria finita.

Successo grazie alle competenze combinate in chimica e ingegneria di produzione

DRYtraec presenta quindi evidenti vantaggi ecologici ed economici rispetto ai processi di rivestimento degli elettrodi delle batterie esistenti. L’eliminazione dei solventi tossici e delle lunghe macchine di essiccazione ad alta intensità energetica dal processo va a vantaggio dell’ambiente. Il nuovo processo accelera anche la produzione e richiede solo un terzo dello spazio per le apparecchiature di una soluzione convenzionale, risparmiando sui costi in diversi modi. Secondo Schumm, il successo del processo DRYtraec deriva principalmente dalla diversità delle competenze nel team di ricerca del Fraunhofer IWS. I colleghi con un background in chimica hanno lavorato sulla miscela di polvere ottimale, ma esperti in ingegneria di produzione, ad esempio, hanno sviluppato apparecchiature che impediscono al film secco di essere autoportante, assicurando che rimanga stabile.

Una vasta gamma di possibili applicazioni

I primi prototipi di sistemi DRYtraec sono stati commissionati nell’ambito del progetto di finanziamento “DryProTex”. Questo progetto ha dimostrato che è possibile produrre elettrodi in modo continuo, indipendentemente dal tipo di batteria: “La gamma di possibili usi della tecnologia non si limita a una particolare chimica cellulare”, sottolinea Schumm. “Potrebbe essere ugualmente utilizzato sulle celle agli ioni di litio come sulle celle al litio-zolfo o agli ioni di sodio. Stiamo anche esaminando le batterie allo stato solido. Queste saranno sempre più importanti in futuro, ma i materiali non possono tollerare la lavorazione chimica a umido. Pertanto, DRYtraec ci consente di offrire una soluzione molto promettente a questo problema”.

L’industria sta mostrando molto interesse per il processo. Sono attualmente in corso discussioni con diversi produttori di automobili e cellulari per pianificare la costruzione di una serie di sistemi pilota. Oltre alla produzione di elettrodi con DRYtraec, i ricercatori di Fraunhofer IWS sono impegnati in molti altri progetti di ricerca per esaminare l’intera catena del processo di sviluppo delle celle della batteria. In questo modo, svolgono un ruolo chiave nel plasmare il futuro della batteria.