Batteria agli ioni di litio, come nasce? Come viene costruita?
Il processo di produzione delle batterie per auto elettrica si compone di vari processi complessi e delicati. Ecco come vengono costruite, dalle materie prime all'assemblaggio finale
Le batterie agli ioni di litio delle auto elettriche hanno un ruolo fondamentale nella propulsione dei veicoli elettrici e rappresentano il componente che nel futuro sarà maggiormente oggetto di sviluppo attraverso le maggiori innovazioni tecnologiche.
Tutte le case auto stanno spostando le attenzioni alle batterie al litio delle auto elettriche, con il Gruppo Volkswagen che oltre a pianificare una strategia di sviluppo nel Center of Excellence di Salzgitter sta anche realizzando una fabbrica nuova di batterie con la NorthVolt
Batterie agli ioni di litio come nasce quella VW
Proprio a Salzgitter è stata avviata una linea pilota per la produzione di celle batteria in piccola serie. Si tratta di un procedimento complesso e delicato che il Gruppo Volkswagen intende studiare nel dettaglio per arrivare, in un tempo piuttosto breve, ad acquisire le competenze necessarie per la produzione in serie.
Batterie agli ioni di litio come vengono costruite
La costruzione delle batterie agli ioni di litio per le auto elettriche è un processo estremamente articolato. Per capirlo a fondo è opportuno semplificare, considerando tre fasi principali: la produzione degli elettrodi, l’assemblaggio delle celle e il loro trattamento finale. Ognuna di queste fasi richiede a sua volta vari step.
Materie prime utilizzate sulle batterie al litio
Nella costruzione di una batterie al litio inizia tutto con le materie prime in polvere, mescolate con acqua e solventi per definire le formule dell’anodo e del catodo, che sono inserite in un impasto unico con un procedimento molto delicato. Le dosi devono essere precisissime e la pulizia massima.
L’ingrediente principale utilizzato a Salzgitter per la produzione dell’anodo è la grafite, insieme ad additivi leganti e conduttori dell’elettricità; mentre per il catodo si usa l’ossido metallico di litio, con additivi leganti e conduttori.
Protezione batterie al litio
Molto curata anche la protezione realizzata sulle batterie al litio con un rivestimento che ha la funzione anche di protezione. L’impasto è trasportato in contenitori stagni che assicurano la distribuzione omogenea della pasta. In questa fase i vari strati dell’impasto sono applicati su lamine a elevata conduttività: l’anodo su una lamina di rame, il catodo su una lamina di alluminio.
La linea pilota utilizza una tecnologia che permette di creare il rivestimento su entrambi i lati simultaneamente. L’impasto viene essiccato con un processo particolare in cui le lamine non toccano alcuna parte, ma ‘fluttuano’ sulla linea.
A questo punto si ottiene una lamina sottile e rivestita, successivamente pressata in un macchinario che ricorda una macina rotante con una pressione massima pari a 200 tonnellate. Il risultato è una striscia dallo spessore richiesto, con un margine di imprecisione di 4µm (al massimo) rispetto al valore di riferimento: una dimensione che corrisponde a un venticinquesimo di un capello umano.
Nella fase finale la fascia lavorata – chiamata anche “bobina madre” – è rimossa dalla macina rotante e levigata con un macchinario specifico, dopodiché è pronta per il passaggio successivo. In alcuni casi è necessario tagliare la bobina in senso longitudinale, con una procedura molto delicata da cui dipende la qualità finale delle relative celle.
Come vengono assemblate le celle delle batterie al litio
Ogni cella di una batteria al litio necessita di un assemblaggio specifico, in base alla tipologia. Il procedimento adottato al Centro di Eccellenza di Salzgitter prevede sette fasi.
I fogli, tagliati con il laser, vengono essiccati sottovuoto in locali specificamente attrezzati per l’asciugatura, dove l’umidità è 350 volte più bassa che nell’aria ambiente. I fogli sono poi prelevati, allineati e impilati uno sopra l’altro, con una precisione di +/- 0,3 mm, nell’arco di un secondo. L’operazione è automatica e sovrappone in sequenza anodo, separatore, catodo, separatore, anodo e così via. Il risultato è la “pila” che andrà a comporre la cella.
Durante lo step successivo, ovvero l’asciugatura della pila, la temperatura rimane costante, mentre l’aria viene essiccata e pressurizzata con gas inerti (nitrogeno, elio, neon, argon, kripton e xeno) secondo un ciclo ripetitivo che accelera il processo. Alla fine si saldano il polo positivo e il polo negativo della cella e i fogli di metallo che ne risultano, chiamati “tavolette”, vengono saldati sulla linea produttiva utilizzando il laser.
La fase successiva prevede che la pila di elettrodi sia inserita nell’involucro – termoformato in una linea dedicata – partendo da una pellicola multistrato impermeabile, sigillata con un processo ad alta temperatura. Durante questa fase, le celle vengono riempite con gli elettroliti – un momento assai delicato perché devono penetrare all’interno di tutta la pila e diffondersi in ogni sua parte – e la loro forma finale può essere di tre tipologie differenti. Una delle più comuni è quella a sacchetto (pouch), la stessa utilizzata per le batterie degli smartphone. Poi le celle sono inserite in un contenitore più grosso, realizzato partendo dai laminati di alluminio e a forma di parallelepipedo.
Lavorazioni finale delle celle al litio per le batterie
ELIMINAZIONE DEL GAS – Il trattamento finale delle celle si compone a sua volta di varie fasi. In primis, le celle vengono degassate prima di essere sigillate: durante la produzione, infatti, si generano fisiologicamente dei gas. Questi ultimi fuoriescono in una zona morta della cella, dove vengono radunati e poi eliminati prima della lavorazione finale.
SIGILLATURA – Il processo di sigillatura ha un duplice scopo: prevenire le infiltrazioni d’acqua dall’esterno e la perdita di elettrolita dall’interno. Questo è il passaggio che determina il ciclo di vita della batteria stessa.
TEST – Il penultimo step è il test vero e proprio che può durare fino a tre settimane e consente di verificare che non ci siano corti circuiti interni attraverso misurazioni costanti della tensione di circuito aperto della cella.
ISPEZIONE – L’ultimo passaggio è l’ispezione finale, che rileva le proprietà elettrochimiche principali, grazie a cui si definiscono capacità, resistenza e perdita di potenza della batteria.
VIDEO batterie al litio Volkswagen
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