Il Fraunhofer Institute ha sviluppato un sistema di produzione sostenibile di batterie

Il Fraunhofer Institute ha sviluppato un sistema di produzione sostenibile di batterie
Environmentally friendly manufacture of battery electrodes

Il Fraunhofer Institute ha sviluppato un nuovo sistema per produrre elettrodi per batterie, un nuovo processo di rivestimento a secco denominato DRYtraec.

Produrre elettrodi in modo convenzionale significa utilizzare molti solventi tossici e richiedere molto spazio ed energia.

La tecnologia e il processo utilizzati dal Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS, sono rispettosi dell’ambiente ed economici e possono essere utilizzati 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 nel 2030, un aumento di quasi il 20% rispetto a oggi. Prognos AG ha svolto uno studio corrispondente per conto del ministero. Questa cifra è una stima iniziale; i risultati definitivi dovrebbero essere disponibili in autunno. Tuttavia, è chiaro che la domanda energetica complessiva 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 batterie e quindi progettarle in modo che siano il più possibile efficaci in termini di costi e rispettosi dell’ambiente.

DRYtraec è una soluzione promettente sviluppata da un team di ricerca interdisciplinare presso Fraunhofer IWS di Dresda che si concentra sulla produzione degli elettrodi della batteria.

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’immagazzinamento dell’energia.

Il processo di rivestimento convenzionale utilizza un metodo chimico umido che applica ciò che è noto come slurry – spiega il Dr. Benjamin Schumm, Group Manager per le tecnologie di rivestimento chimico 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 asciugatura 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 dei rulli rotanti

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Environmentally friendly manufacture of battery electrodes

Il nuovo processo di rivestimento utilizza essenzialmente materie prime simili a quelle del processo di sospensione. La tecnologia di verniciatura 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 della calandra, uno spazio 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 ingloba meccanicamente le particelle – dice Schumm.

La pressione e il movimento formano un film sottile sul rullo a rotazione più rapida. Questo film viene quindi trasferito in una seconda fessura della 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 alla combinazione di competenze in chimica e ingegneria di produzione

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Environmentally friendly manufacture of battery electrodes

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

Una vasta gamma di possibili applicazioni

I primi sistemi prototipo DRYtraec sono stati commissionati nell’ambito del progetto di finanziamento “DryProTex”. Questo progetto ha dimostrato che è possibile produrre elettrodi in continuo, indipendentemente dal tipo di batteria:

La gamma di possibili utilizzi per la tecnologia non si limita a una particolare chimica cellulare – sottolinea Schumm. Potrebbe essere ugualmente utilizzato su celle agli ioni di litio come sulle celle al litio-zolfo o agli ioni di sodio. Stiamo anche esaminando le batterie a 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 celle per pianificare la costruzione di una serie di sistemi pilota. Oltre a produrre elettrodi con DRYtraec, i ricercatori del Fraunhofer IWS sono impegnati in molti altri progetti di ricerca per esaminare l’intera catena del processo di sviluppo delle celle della batteria. In tal modo, svolgono un ruolo chiave nel plasmare il futuro della batteria.

Di seguito potete vedere il video di Drytraec

Fonte: Fraunhofer Institute

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