La produzione di batterie è al centro della politica industriale e climatica globale. Con l'aumento della domanda mondiale di sistemi di accumulo per la mobilità elettrica e applicazioni stazionarie, cresce anche l'importanza di una produzione efficiente, sostenibile e indipendente a livello regionale.
In particolare, le condizioni quadro della produzione di batterie pongono alle aziende enormi sfide: la dipendenza da materie prime come litio, cobalto e nichel genera tensioni geopolitiche. Allo stesso tempo, le catene di approvvigionamento diventano sempre più fragili a causa di crisi globali e dell'aumento dei costi di trasporto. L'Europa si trova quindi di fronte alla sfida di costruire una catena del valore resiliente che comprenda sia l'estrazione delle materie prime che la lavorazione, oltre al riciclaggio – d'altronde, le batterie usate rappresentano la risorsa di litio più abbondante della Germania. Inoltre, i processi produttivi devono adattarsi in modo flessibile a nuovi concetti di batterie, come quelle a stato solido o a ioni di sodio, per motivi di sicurezza degli investimenti.
Di fronte a queste sfide, è chiaro che il futuro della produzione di batterie in Europa può essere garantito solo attraverso l'uso delle tecnologie più avanzate. In particolare, la tecnologia laser offre soluzioni per soddisfare i requisiti centrali: efficienza, precisione e sostenibilità. Sia nella lavorazione dei materiali, nella produzione di elettrodi o nel riciclaggio: senza processi laser innovativi, una produzione di batterie competitiva e sostenibile in Europa è difficilmente concepibile.
Preparazione delle materie prime e valorizzazione dei materiali come base
Materiali come il litio e il nichel sono ancora componenti delle attuali celle batteria. Le loro proprietà chimiche e fisiche consentono elevate densità energetiche e lunghe durate, ma il loro estrazione e lavorazione comportano problemi complessi.
Tuttavia, le tecnologie delle batterie si stanno sviluppando rapidamente, con l'obiettivo di ridurre al minimo l'uso di materie prime rare e costose. CATL ha già presentato nel 2021 una batteria agli ioni di sodio, che rinuncia completamente a litio e cobalto. Nell'aprile 2024, il produttore cinese di batterie ha lanciato una batteria al litio-ferro-fosfato (LFP) priva di cobalto con un'autonomia di oltre 1.000 chilometri. In soli dieci minuti può caricare energia sufficiente per 600 chilometri, corrispondente a una velocità di ricarica di un chilometro al secondo.
Toyota inizierà a utilizzare batterie a stato solido nei veicoli ibridi a partire dal 2025. Nissan ha avviato in Giappone un impianto di produzione di prototipi per batterie a stato solido laminate. Panasonic ha presentato una batteria a stato solido per droni. VW e Mercedes, Ford e BMW sono prossimi all'introduzione di batterie a stato solido o hanno stretto alleanze strategiche.
Un approccio fondamentale per le nuove tecnologie delle batterie è la lavorazione dei materiali a livello nanometrico, in cui le materie prime vengono trattate e funzionalizzate in modo mirato per massimizzare le loro prestazioni nelle batterie. Su questo tema sta lavorando il dipartimento di tecnologia delle superfici e rimozione di forma presso l'Istituto Fraunhofer per la tecnologia laser. Le moderne tecnologie laser consentono interventi precisi nella struttura del materiale e minimizzano al contempo il consumo di risorse.
Un ulteriore esempio dell'uso riuscito delle tecnologie laser si trova nella collaborazione tra il Fraunhofer ILT, la cattedra di tecnologia laser LLT della RWTH Aachen, TRUMPF e il Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY. Grazie all'uso dei raggi X di un acceleratore di particelle, è stato possibile ottenere approfondimenti più dettagliati nei processi di saldatura laser. È emerso che l'uso di laser a lunghezza d'onda verde migliora l'utilizzo del materiale e riduce gli scarti. Queste scoperte offrono non solo vantaggi tecnologici, ma contribuiscono anche a una produzione più sostenibile.
«Questi progetti dimostrano che la tecnologia laser innovativa non solo può affrontare le sfide della lavorazione delle materie prime, ma può anche consentire una produzione di batterie sostenibile e competitiva in Europa», spiega il Dr. Alexander Olowinsky, responsabile del dipartimento di giunzione e separazione presso il Fraunhofer ILT.
Produzione di elettrodi: innovazioni per una produzione sostenibile
La rivestimento delle pellicole conduttrici (rame o alluminio) con i materiali delle elettrodi per anodo e catodo e la loro successiva essiccazione sono passaggi cruciali che influenzano sia la densità energetica che la durata del ciclo delle batterie. Tuttavia, i metodi di essiccazione convenzionali basati su forni a convezione presentano un notevole consumo energetico e un grande fabbisogno di spazio, limitando così la sostenibilità e l'efficienza della produzione di batterie.
Il progetto IDEEL (Implementazione di processi di essiccazione laser per una produzione economica ed ecologica di batterie agli ioni di litio), finanziato dal Ministero federale dell'Istruzione e della Ricerca, dimostra come l'essiccazione laser affronti queste sfide: nel progetto è stata realizzata per la prima volta l'essiccazione di anodi e catodi nel processo roll-to-roll utilizzando un laser a diodi ad alta potenza. Questo metodo riduce notevolmente il consumo energetico, raddoppia al contempo la velocità di essiccazione e dimezza lo spazio necessario.
«L'essiccazione laser non solo consente una gestione del processo più efficiente, ma contribuisce anche a migliorare significativamente il bilancio di CO₂ della produzione di batterie», spiega il Dr. Samuel Moritz Fink, responsabile del gruppo di processi a film sottile presso il Fraunhofer ILT. Fink e il suo team hanno sviluppato, insieme ai partner di progetto, un modulo di essiccazione laser con ottica e monitoraggio del processo adattati, che garantisce un'essiccazione uniforme. Questo approccio offre anche flessibilità: i forni a convezione esistenti possono essere aggiornati con la tecnologia laser, facilitando così l'implementazione nelle linee di produzione esistenti.
In un altro progetto di ricerca, il Fraunhofer ILT utilizza un'ottica multiraggio appositamente sviluppata. Questa divide la radiazione laser in più fasci parziali, che lavorano simultaneamente una banda larga 250 millimetri di un'anodo di batteria agli ioni di litio. Questa strutturazione ad alta precisione aumenta la densità energetica e la capacità di ricarica rapida.
La produzione di elettrodi beneficia inoltre dell'integrazione dell'intelligenza artificiale nel processo di produzione. I ricercatori del Fraunhofer ILT stanno attualmente esaminando come i sistemi basati su IA possano essere utilizzati per ottimizzare i parametri di processo. Tali sistemi potrebbero non solo aumentare ulteriormente la qualità e la produttività, ma anche gettare le basi per una produzione autonoma.
Assemblaggio di celle: Precisione ed efficienza attraverso tecnologie innovative
Oltre all'asciugatura degli elettrodi, anche la connessione precisa dei materiali degli elettrodi gioca un ruolo centrale nelle prestazioni e nell'affidabilità delle batterie. Qui, la saldatura laser a microonde si è affermata come tecnologia chiave. Essa consente l'unione senza contatto e ad alta precisione di materiali come rame e alluminio, essenziali per gli elettrodi delle batterie. Grazie al basso carico termico, la delicata chimica delle celle rimane intatta, mentre la conduttività elettrica viene ottimizzata grazie alla riduzione delle resistenze di contatto.
La micro-saldatura laser offre una combinazione di flessibilità ed efficienza che i metodi di saldatura tradizionali non possono raggiungere.
I requisiti per la micro-saldatura laser variano a seconda del formato delle celle, poiché ogni tipo di cella presenta sfide specifiche nella contattazione. Le celle cilindriche richiedono una profondità di saldatura precisa per garantire da un lato la conduttività elettrica e dall'altro evitare danni da surriscaldamento. Particolarmente impegnativa è la contattazione del polo negativo, poiché un carico termico eccessivo potrebbe danneggiare la delicata guarnizione in polimero, portando a perdite di elettrolita. Nelle celle pouch, caratterizzate da un design flessibile e alta densità energetica, è fondamentale evitare le saldature delle delicate pellicole di rivestimento.
Uno sviluppo promettente nell'assemblaggio delle celle è il progetto XProLas, che TRUMPF sta realizzando in collaborazione con il Fraunhofer ILT e altri partner. L'obiettivo è sviluppare sorgenti di raggi X compatte, alimentate da laser, che consentano un controllo qualità in loco direttamente presso il produttore, invece di utilizzare grandi acceleratori di particelle come in precedenza. Questa tecnologia consente di analizzare le celle della batteria in tempo reale, permettendo di monitorare con precisione sia i processi di carica e scarica che la qualità del materiale. In particolare, nell'analisi del materiale catodico, che determina in modo significativo le prestazioni e la durata di una batteria, questo metodo apre nuove possibilità. 'Grazie all'uso di sorgenti di raggi X brillanti, possiamo rilevare contaminazioni e difetti di materiale in anticipo, riducendo così notevolmente i tempi di sviluppo', spiega il Dipl.-Ing. Hans-Dieter Hoffmann, responsabile del dipartimento Laser e Sistemi Ottici del Fraunhofer ILT.
Anche qui, l'integrazione dell'intelligenza artificiale apre ulteriori potenziali: i sistemi basati su IA possono monitorare e adattare i parametri di processo in tempo reale. In questo modo, le deviazioni possono essere rilevate e corrette in anticipo, creando le basi per una produzione autonoma. La visione di una produzione 'First-time-right', in cui tutti i componenti vengono assemblati senza errori al primo tentativo, si avvicina così.
Produzione di moduli e pacchi: efficienza e precisione attraverso tecnologie laser
Successivamente, le singole celle vengono collegate in moduli o pacchi. Soprattutto a livello di modulo, la precisione gioca un ruolo cruciale, poiché è necessaria l'integrazione di più giunzioni di saldatura senza aumentare il carico termico delle delicate celle. I processi laser come la micro-saldatura consentono un adattamento su misura a queste esigenze.
Una delle innovazioni centrali del Fraunhofer ILT è lo sviluppo di procedure che consentono di unire alluminio e rame - entrambi materiali con proprietà fisiche molto diverse - in modo sicuro e preciso. Grazie alla guida del fascio laser all'avanguardia, è possibile controllare la profondità di saldatura per non danneggiare le celle delicate.
'Questa tecnologia è essenziale per la produzione di moduli e pacchi che devono funzionare in modo affidabile in condizioni estreme, come correnti elevate e carichi termici', spiega Olowinsky. Un esempio è la saldatura laser di grandi celle cilindriche, che è stata ulteriormente sviluppata presso l'Istituto di Aquisgrana insieme a partner come EAS Batteries GmbH. Qui si presta attenzione a una connessione stabile e durevole delle celle, per garantire lunghe durate e basse percentuali di guasto.
Oltre alla saldatura laser, si è affermata la saldatura laser, in particolare per la connessione di componenti sensibili al calore. Questo processo opera a temperature più basse rispetto ai metodi di saldatura tradizionali, proteggendo così l'elettronica delicata all'interno dei moduli. Ciò non solo aumenta l'affidabilità dei pacchi batteria, ma contribuisce anche all'efficienza energetica della produzione.
Gestione della batteria e integrazione dei sensori
La gestione della batteria è una delle sfide centrali dei moderni sistemi di accumulo energetico. La sicurezza, la durata e le prestazioni delle batterie dipendono in modo significativo da questo - e non da ultimo l'accettazione della mobilità elettrica. I progressi nell'integrazione dei sensori e l'uso dell'IA offrono qui possibilità trasformative per soddisfare questi requisiti.
Tradizionalmente, le batterie vengono monitorate a livello macroscopico, il che offre solo una visione limitata dei complessi processi all'interno delle celle. Qui, l'integrazione dei sensori durante la produzione offre nuove possibilità. I ricercatori del Fraunhofer ILT stampano sensori direttamente sui componenti o integrano persino i dispositivi di misurazione intelligenti. Questi sensori consentono il monitoraggio in tempo reale, come la misurazione di temperature, forze o persino cambiamenti chimici all'interno delle batterie.
'Con i sensori prodotti in modo additivo, possiamo monitorare continuamente lo stato dei moduli della batteria e reagire tempestivamente a possibili errori', spiega Samuel Fink. Questi sensori sono spessi solo pochi micrometri, precisi e allo stesso tempo resistenti a sollecitazioni meccaniche e termiche, rendendoli ideali per l'uso nelle batterie e nei moduli della batteria. La loro capacità di fornire continuamente dati consente una manutenzione predittiva, che riconosce potenziali difetti prima che si verifichino.
Tuttavia, l'integrazione dei sensori da sola non è sufficiente per realizzare la manutenzione predittiva. I sensori possono rilevare cambiamenti nella chimica delle celle, mentre gli algoritmi di IA analizzano questi dati e fanno previsioni sulla durata delle celle. I ricercatori del dipartimento 'Data Science e Tecniche di Misura' del Fraunhofer ILT sviluppano tali algoritmi basati su IA, che analizzano grandi quantità di dati dai sensori in tempo reale. Questi sistemi consentono anche di adattare dinamicamente i processi, ad esempio ottimizzando i profili di temperatura durante l'assemblaggio delle celle o adattando i parametri di saldatura laser.
Riciclaggio e riutilizzo
Con il boom della tecnologia delle batterie cresce anche la necessità di strategie sostenibili per il recupero di materie prime preziose. Un'economia circolare efficace è indispensabile per ridurre la dipendenza dalle materie prime primarie e allo stesso tempo minimizzare l'impatto ambientale della produzione di batterie.
Nel progetto UE ADIR, il Fraunhofer ILT sviluppa, insieme a otto partner di progetto provenienti da tre paesi, un concetto di riciclaggio sostenibile per dispositivi elettronici. Nel progetto ACROBAT, si intende sviluppare un concetto per il riciclaggio delle batterie al litio-ferro-fosfato prima che penetrino massicciamente nel mercato. L'obiettivo del progetto è recuperare oltre il 90% dei materiali critici. Insieme a partner come Accurec Recycling, il Fraunhofer ILT sta lavorando a procedure innovative di separazione e trattamento che siano ecologicamente e economicamente sostenibili. Gli esperti di laser di Aquisgrana stanno sviluppando qui un metodo di caratterizzazione inline per valutare con precisione la qualità del materiale attivo.
L'analisi laser-spettroscopica (LIBS) consente l'identificazione e la separazione precisa di composizioni materiali complesse. I ricercatori vogliono adattare questa tecnologia per il riciclaggio delle batterie usate, al fine di migliorare ulteriormente il recupero di metalli come cobalto e tantalio. Anche qui, l'integrazione dell'IA può analizzare in tempo reale le grandi quantità di dati provenienti dalle misurazioni laser e derivare ottimizzazioni di processo.
Questa sorveglianza basata sull'IA consente un adattamento dinamico dei parametri di riciclaggio, riducendo gli scarti e aumentando la qualità delle materie prime riciclate.
Conclusione e prospettive
La produzione di batterie è al centro della transizione verso la mobilità elettrica e quindi al centro delle innovazioni che uniscono efficienza, sostenibilità e prestazioni tecnologiche di alto livello. Le tecnologie e gli sviluppi presentati lungo la catena di produzione mostrano come i moderni processi laser possano aprire la strada a un'industria delle batterie sostenibile e competitiva - dalla preparazione delle materie prime alla produzione degli elettrodi fino all'assemblaggio delle celle e al riciclaggio.
Allo stesso tempo, i sistemi di analisi e controllo basati sull'IA creano una nuova dimensione nel controllo dei processi, migliorando la qualità della produzione e la sostenibilità e riducendo ulteriormente i costi di produzione.
In prospettiva, i circuiti di regolazione basati sull'IA possono consentire una produzione autonoma, in cui i processi si adattano in tempo reale a condizioni mutate. Inoltre, sorgenti di raggi X azionate da laser e tecnologie di caratterizzazione inline aprono nuove possibilità per il controllo della qualità e l'analisi dei materiali.
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