Come sono fatte le batterie?

La struttura e il principio di funzionamento delle batterie

Le batterie producono energia elettrica attraverso la reazione chimica che avviene all’interno della cella. La chiave per eseguire quella reazione è il moto degli elettroni. Gli elettroni sono particelle cariche negativamente che generano elettricità mentre si muovono. Questo flusso è possibile con l’utilizzo di due diversi metalli che fungono da conduttori. Il cablaggio dei metalli insieme avvia il movimento degli elettroni tra di loro, che è causato dagli elettroni che vengono attratti dai metalli che sono indicati come catodo e anodo. Gli elettroni saranno sempre attratti più forte dal catodo. I metalli all’interno di una batteria sono interconnessi da una sostanza in grado di condurre elettroni, chiamata elettrolita. I veicoli elettrici utilizzano batterie costituite da celle interconnesse. I sistemi di alimentazione utilizzati si differenziano tra loro principalmente per vita utile, composizione chimica e peso. Il mercato delle batterie per veicoli elettrici sta cambiando in modo dinamico. Attualmente, le batterie agli ioni di litio sono tra i tipi più popolari. La loro produzione è complessa e richiede la massima qualità in ogni fase. Le batterie agli ioni di litio più popolari sono quelle le cui celle sono basate su metalli come nichel, cobalto o manganese. I tipi di batterie agli ioni di litio più comunemente scelti per i veicoli elettrici includono le batterie al litio-nichel-cobalto-manganese (NMC). Le batterie al litio-manganese (LMO), al litio-ferro-fosfato (LFP) e al litio-nichel-cobalto-alluminio (NCA) sono di interesse molto inferiore.

Come è fatta una batteria?

La produzione di celle agli ioni di litio e di altro tipo è caratterizzata dalla sua complessità e da un elevato grado di automazione. La produzione delle batterie dipende dalla loro tipologia, ma le fasi ei processi principali sono simili. Per dirla in modo semplice, l’intero processo di produzione può essere suddiviso in tre "blocchi" principali:

1. Produzione di elettrodi

Indipendentemente dal formato e dalla forma della batteria che si sta producendo, il primo passo è realizzare gli elettrodi. In questa fase è importante evitare la contaminazione incrociata tra materiali diversi, quindi in pratica esiste una linea separata per la produzione del catodo e una linea separata per l’anodo. L’anodo è realizzato in lamina di rame ricoperta di grafite, mentre il catodo è realizzato in lamina di alluminio rivestita con un metallo selezionato. Le fasi di produzione più importanti includono:

• Miscelazione, che consiste nel produrre la cosiddetta sospensione che è una miscela di polveri (sostanze attive) con un solvente, e altre sostanze chimiche che fungono da leganti.
• Rivestimento ed essiccazione: una sospensione pronta viene pompata nell’area di rivestimento, dove viene applicata su un foglio di metallo. Il foglio viene quindi inviato a una stufa di essiccazione, dove il solvente evapora e la sostanza attiva viene attaccata al foglio.
• Calandratura – il processo di finitura dei rulli rivestiti. Si muovono tra due elementi riscaldati che forniscono un’adeguata compressione del materiale premendo i rulli contro il foglio e mantenendo così uno spessore e una densità stabili e una migliore adesione.
• Taglio – la lamina metallica scorre attraverso un sistema di coltelli che la tagliano in tanti pezzi più piccoli di dimensioni adatte agli elettrodi da produrre.

2. Montaggio cella

L’assemblaggio delle celle richiede un ambiente asciutto per evitare la formazione di umidità che può causare il degrado e un calo significativo dell’efficienza dell’elettrodo. A questo punto gli elettrodi vengono tagliati e inseriti negli involucri. L’assemblaggio della cella comprende i seguenti passaggi:

• Taglio: durante il processo di taglio vengono prodotti elettrodi rettangolari. Il taglio viene eseguito meccanicamente o con un laser.
• Disposizione – in un involucro di batteria, gli elettrodi sono disposti alternativamente: anodo, separatore, catodo. Il modo più popolare è lo stoccaggio.
• Assemblaggio: gli elettrodi opportunamente disposti vengono collegati e fissati ai morsetti principali mediante saldatura. La cella così prodotta con gli elettrodi viene inserita nel materiale di imballaggio e sigillata, lasciando un bordo aperto per il riempimento con l’elettrolita.

3. Formatura e controllo qualità

Quindi una batteria assemblata passa attraverso la fase di condizionamento. Questo è spesso un momento critico della produzione, poiché la cella viene caricata per la prima volta e viene sottoposta a una serie di test che ne provano la qualità e l’efficienza. Le fasi finali della formazione di una batteria comprendono la precarica, il degassamento e l’invecchiamento ad alta temperatura. Al termine dell’ultima fase, il dispositivo è pronto per l’uso in diverse applicazioni. I veicoli elettrici sono alimentati da batterie agli ioni di litio. Sono tra i tipi di batterie più popolari, principalmente per il fatto che consentono di percorrere più chilometri con una singola carica rispetto ad altri tipi di batterie. Il loro processo produttivo è molto simile a quello delle più comuni batterie al litio. Una caratteristica delle batterie per auto elettriche è quella di costituire un collegamento in serie di più celle agli ioni di litio che compongono i cosiddetti moduli. Ogni modulo di una batteria contiene da poche a più di dieci celle collegate in serie. Quindi i moduli vengono saldati insieme per formare pacchi batteria che vengono sottoposti a controllo di qualità.

Materie prime per la produzione di batterie

I sistemi di accumulo di energia più popolari includono batterie agli ioni di litio. La produzione di queste celle è complessa e richiede la massima qualità in ogni fase. Una questione importante è scegliere tali materie prime per la produzione in modo che la batteria finita possa soddisfare pienamente la domanda del mercato e le esigenze dei consumatori.

Metalli

Le materie prime più importanti per la produzione di batterie comprendono metalli, principalmente litio, cadmio, nichel, ferro, zinco e manganese. Quest’ultimo è il materiale più utilizzato per produrre batterie agli ioni di litio. Altri elementi utilizzati per la produzione di batterie sono il magnesio e l’alluminio (come elettrodi), a causa del loro elevato potenziale standard ed equivalente elettrochimico. Un ulteriore vantaggio è il loro prezzo relativamente basso e l’elevata disponibilità. Questo li rende un sostituto ideale per i comuni elettrodi in zinco. Un altro metallo utilizzato nelle batterie è l’argento, che consente di produrre celle sicure con un’elevata densità energetica. Inoltre, l’uso dell’argento consente di ottenere una tensione della batteria più elevata rispetto, ad esempio, al cadmio.

Ossidi metallici

Gli elettrodi nelle batterie (catodi e anodi) non sono fatti solo di metalli. Vengono utilizzati anche ossidi metallici, come l’ossido di manganese (IV) o l’ossido di zinco. Il materiale attivo nelle batterie agli ioni di litio è solitamente il litio, che si presenta più comunemente sotto forma di ossidi combinati con metalli come cobalto, manganese, nichel, vanadio o ferro.

Elettroliti

L’elettrolita è il componente chiave delle batterie agli ioni di litio che consente il libero flusso di elettroni tra gli elettrodi. Gli elettroliti sono principalmente soluzioni acquose o soluzioni in sostanze organiche, che si ottengono sciogliendo uno o più tipi di sale, ad esempio cloruro di ammonio, cloruro di zinco o perclorato di magnesio. Nelle batterie alcaline, l’idrossido di potassio viene utilizzato come elettrolita. Il vinilene carbonato è anche comunemente selezionato per la produzione di elettroliti per batterie agli ioni di litio. È particolarmente importante per il settore in crescita dinamica delle pile e degli accumulatori. Il carbonato di vinile di elevata purezza (minimo 99,99%) è disponibile nell’ampia gamma di prodotti del gruppo PCC , che è uno dei principali produttori e fornitori di prodotti chimici e materie prime per qualsiasi settore.

Grafite

La grafite o il carbone in polvere è una materia prima chiave per la produzione di elettrodi. La struttura di alcune batterie include barre di grafite che “raccolgono” gli elettroni che affluiscono dal circuito e li distribuiscono attraverso il catodo. Inoltre, la struttura della grafite facilita l’estrazione dei gas prodotti durante una reazione elettrochimica.

Materie plastiche

Le materie plastiche , come il polietilene o il polipropilene , sono materiali eccellenti che vengono applicati nella produzione di separatori di batterie. Separano il catodo dall’anodo. Le materie plastiche sono utilizzate anche per realizzare rivestimenti e involucri per batterie.