Come funziona la produzione delle batterie agli ioni di litio

Sommario

1.Le basi delle batterie agli ioni di litio
2.Materie prime nella produzione di batterie
3.Realizzazione degli elettrodi
4.Opzioni di assemblaggio delle celle
5.Riempimento e sigillatura dell'elettrolita
6.Formazione e carica iniziale
7.Test di qualità e controlli di sicurezza
8.Sfide comuni nella produzione
9.Aumentare l'efficienza con attrezzature moderne

Le basi delle batterie agli ioni di litio

Le batterie agli ioni di litio alimentano la maggior parte dei dispositivi che utilizziamo quotidianamente: telefoni, laptop, veicoli elettrici e utensili elettrici. Ciò che le rende così diffuse è la loro capacità di immagazzinare una grande quantità di energia in un contenitore piccolo e leggero, pur garantendo centinaia di cicli di carica.

In parole povere, una batteria agli ioni di litio funziona spostando gli ioni di litio tra un elettrodo positivo (catodo) e un elettrodo negativo (anodo) attraverso un elettrolita. Durante la carica, gli ioni viaggiano in una direzione e gli elettroni fluiscono attraverso il circuito esterno per immagazzinare energia. Durante la scarica, il processo si inverte per rilasciare quell'energia.

L'intero processo di produzione delle batterie è progettato per mantenere questo movimento ionico efficiente, sicuro e costante. La moderna produzione di batterie agli ioni di litio avviene in ambienti sterili altamente controllati per evitare contaminazioni, che possono compromettere le prestazioni o causare problemi di sicurezza.

Materie prime nella produzione di batterie

Tutto inizia dalle materie prime. Il catodo è solitamente realizzato in ossidi metallici di litio: le scelte più comuni includono litio nichel manganese cobalto (NMC) o litio ferro fosfato (LFP). Questi materiali determinano la densità energetica, la sicurezza e il costo.

L'anodo è spesso in grafite, a volte mescolato con silicio per una maggiore capacità. Un sottile separatore polimerico mantiene separati gli elettrodi lasciando passare gli ioni. L'elettrolita è un sale di litio disciolto in solventi organici che trasporta gli ioni.

I collettori di corrente – un foglio di alluminio per il catodo e un foglio di rame per l'anodo – completano la struttura di base. Tutti questi materiali devono essere estremamente puri. Anche piccole impurità possono causare una riduzione delle prestazioni o cortocircuiti interni in futuro.

Nella produzione di batterie, l'approvvigionamento di materiali omogenei e di elevata purezza è uno dei principali fattori che incidono sui costi e sulla qualità.

Realizzazione degli elettrodi

La maggior parte del lavoro di precisione nella produzione delle batterie agli ioni di litio avviene nella produzione degli elettrodi.

I produttori mescolano innanzitutto i materiali attivi con leganti e additivi conduttivi fino a formare una sospensione. Questa sospensione viene applicata uniformemente sui fogli metallici: alluminio per i catodi, rame per gli anodi. Lo spessore del rivestimento influisce direttamente sulla capacità e sulla velocità di carica.

Dopo il rivestimento, gli elettrodi bagnati passano attraverso lunghi forni di essiccazione per rimuovere i solventi. Quindi, passano attraverso rulli di calandratura che comprimono il rivestimento fino alla giusta densità. Una densità più elevata solitamente significa un migliore accumulo di energia, ma deve essere bilanciata per evitare di bloccare i percorsi degli ioni.

Infine, le lamine rivestite vengono tagliate in strisce strette, dimensionate per il formato specifico della cella. Eventuali sbavature o bordi irregolari in questa fase possono causare problemi durante l'assemblaggio, pertanto la precisione del taglio è fondamentale.

Le moderne linee di produzione delle batterie eseguono queste fasi ininterrottamente e ad alta velocità per contenere i costi e al contempo rispettare tolleranze ristrette.

Opzioni di assemblaggio delle celle

Una volta che gli elettrodi sono pronti, la cella prende forma. Esistono tre formati principali: cilindrico, prismatico e a sacchetto.

Le celle cilindriche (come le 18650 o le 21700) utilizzano un processo di avvolgimento. L'anodo, il separatore, il catodo e un altro separatore vengono disposti a strati e avvolti in un rotolo di gelatina che si adatta all'interno di una scatola di metallo.

Anche le celle prismatiche sono avvolte, ma pressate in una forma rettangolare. Le celle a sacchetto, comuni nei telefoni e in molti veicoli elettrici, utilizzano l'impilamento anziché l'avvolgimento. I singoli strati di anodo e catodo sono alternati con strati separatori per formare una pila.

L'impilamento consente una densità energetica leggermente superiore e una migliore dissipazione del calore, ma richiede un allineamento molto preciso. Per le celle a sacchetto, le linguette vengono saldate per collegare elettricamente tutti gli strati e lo stack viene inserito in un sacchetto flessibile laminato in alluminio.

Nella produzione di batterie soft-pack, sono necessarie ulteriori misure di protezione, come la nastratura precisa o la laminazione sulla testa della cella, per prevenire danni e garantire l'affidabilità a lungo termine.

Riempimento e sigillatura dell'elettrolita

Dopo l'assemblaggio, la cella viene riempita con elettrolita in un ambiente asciutto (punto di rugiada spesso inferiore a -40°C), perché i sali di litio reagiscono con l'umidità.

Il riempimento deve essere preciso: troppo poco riduce le prestazioni, troppo può causare rigonfiamenti o perdite. Per le celle a sacchetto, il processo avviene sotto vuoto per rimuovere l'aria e favorire la penetrazione dell'elettrolita nello stack.

Una volta riempita, la cella viene sigillata. Le celle cilindriche e prismatiche sono dotate di coperchi metallici aggraffati con sfiati di sicurezza. Le celle a sacchetto vengono termosaldate lungo i bordi, lasciando temporaneamente un'area aperta per il rilascio del gas durante la formazione, per poi essere sigillate definitivamente in seguito.

La qualità della sigillatura è fondamentale: qualsiasi perdita consente l'ingresso di umidità, che nel tempo può distruggere la batteria.

Formazione e carica iniziale

Ogni nuova cella agli ioni di litio passa attraverso la fase di formazione. Si tratta di un primo ciclo di carica-scarica controllato che crea uno strato di interfase elettrolitica solida (SEI) stabile sull'anodo. Lo strato SEI è essenziale per la stabilità a lungo termine.

La formazione è lenta e a temperatura controllata, e spesso richiede ore o giorni. Genera una certa quantità di gas, che viene rimosso in una fase di degasaggio per le cellule a sacchetto.

Dopo la formazione, le cellule raggiungono tipicamenteoltre 1000 cicli di carica completicon un design adeguato, anche se la vita reale dipende dall'uso.

Test di qualità e controlli di sicurezza

Prima della spedizione, ogni cella viene sottoposta a test elettrici: capacità, resistenza interna, costanza di tensione. Molti produttori eseguono anche test distruttivi a campione e test di invecchiamento accelerato.

Sono integrate funzioni di sicurezza: sfiati di pressione, separatori di arresto che si fondono per bloccare il flusso di ioni ad alta temperatura e, talvolta, rivestimenti ceramici sui separatori per una maggiore protezione.

La moderna produzione di batterie agli ioni di litio prevede più punti di ispezione in linea che utilizzano raggi X, scansione ottica e sistemi di visione basati sull'intelligenza artificiale per individuare tempestivamente i difetti.

Sfide comuni nella produzione

È difficile scalare la produzione di batterie mantenendo bassi i costi e alta la qualità. Il controllo della contaminazione richiede costosi ambienti asciutti. I prezzi delle materie prime, in particolare litio, cobalto e nichel, oscillano notevolmente.

I tassi di rendimento sono estremamente importanti. Un piccolo calo dal 99% al 95% può rendere uno stabilimento non redditizio. La gestione del calore durante le linee di rivestimento e asciugatura rapide richiede un'attenta progettazione.

La sicurezza rimane la priorità assoluta. Anche i guasti più rari ricevono la massima attenzione, pertanto i processi sono progettati con molteplici misure di sicurezza ridondanti.

Aumentare l'efficienza con attrezzature moderne

Con l'aumento della domanda di batterie agli ioni di litio, le fabbriche stanno ricorrendo ad apparecchiature altamente automatizzate per migliorare velocità, precisione e resa.

Per i produttori che lavorano con celle soft-pack, una macchina affidabile per laminazione con colla può fare una grande differenza nella fase di nastratura protettiva.Macchina per laminazione a colladi Better Tech automatizza la precisa fasciatura della testa conPrecisione ±0,25 mm, elimina bolle e rughe e raggiunge velocità di produzione di≥1000 pezzi all'oramantenendo unTasso di rendimento ≥99%Il design antistatico e il monitoraggio del vuoto contribuiscono a proteggere le celle sensibili, mentre i comandi intuitivi semplificano le modifiche al modello. Queste caratteristiche si traducono in una migliore protezione, un minor numero di difetti e una maggiore produttività, esattamente ciò di cui hanno bisogno le crescenti attività di produzione di batterie.