Leybold sostiene i produttori nello sviluppo delle tecnologie delle batterie.

Il ruolo strategico della tecnologia del vuoto nello sviluppo della mobilità elettrica.

Contribuire a plasmare gli sviluppi

La mobilità elettrica è l'ultima tendenza in un ambiente di mercato molto dinamico. "Dal punto di vista della tecnologia del vuoto, abbiamo seguito da vicino questa evoluzione per molti anni", dice il Dr. Sina Forster, Business Development Manager di Leybold GmbH. "Avere l'opportunità di contribuire a plasmare gli attuali sviluppi e la ricerca è incredibilmente eccitante", aggiunge. Secondo lei, uno dei compiti principali è quello di determinare nuove applicazioni e mercati del vuoto dalle nuove tecnologie e sviluppi il più presto possibile. Il ruolo strategico della tecnologia del vuoto è quindi quello di consentire e far progredire questi sviluppi. Per esempio, la progettazione dell'ambiente del vuoto è un fattore che può avere un'influenza positiva sui processi. Il vuoto è spesso utilizzato durante la fase di riempimento dell'elettrolita per garantire che la cella sia uniformemente saturata con l'elettrolita e per conferire purezza al processo di riempimento.

Batterie agli ioni di litio come applicazione del vuoto

Leybold ha studiato gli sviluppi in questo settore e ha identificato le opportunità di applicazione del vuoto nel processo di produzione delle batterie agli ioni di litio. Poiché all'inizio c'erano poche informazioni disponibili sul processo di produzione dei componenti agli ioni di litio, l'azienda ha unito le forze con la Verband Deutscher Maschinen und Anlagenbau (VDMA) e la cattedra di ingegneria della produzione di componenti per la mobilità elettrica dell'Università RWTH Aachen per stabilire un processo di produzione. Oltre alle batterie agli ioni di litio, Leybold si è concentrata anche sugli sviluppi delle celle a combustibile. I processi sotto vuoto applicabili stanno già emergendo, compreso il rivestimento delle piastre bipolari sotto vuoto. Qui è importante osservare gli sviluppi tecnologici nei prossimi anni e, se necessario, fornire supporto attraverso la cooperazione. La tecnologia del vuoto viene utilizzata in varie fasi del processo nella produzione di elettrodi, così come nella ricerca e nello sviluppo. Per questo motivo, Leybold lavora a stretto contatto con i produttori di macchine e impianti che forniscono ai produttori di batterie gli impianti di produzione. Inoltre, Leybold collabora con i produttori di batterie e con le istituzioni che conducono ricerche per sviluppare ulteriormente le tecnologie delle batterie.

Sviluppo in aumento in Europa

La maggior parte della produzione continua a svolgersi in Asia. Tuttavia, gran parte della ricerca e dello sviluppo si sta spostando in Europa, rendendo l'UE (e specialmente la Germania) più importante come luogo di ricerca e produzione.  La tecnologia del vuoto è usata nella produzione di celle per batterie e in processi come l'applicazione di materiali attivi agli elettrodi. "In generale, l'aria è un fattore di disturbo in molti ambienti di produzione perché i milioni di particelle e molecole di gas hanno un'influenza negativa su questa fase di produzione, a volte rendendola addirittura impossibile. Quando si mescola lo slurry, le particelle e le bolle d'aria devono essere evitate per ottenere un prodotto di alta qualità. La maggior parte dei miscelatori, quindi, lavora sotto vuoto", spiega la Dott.ssa Sina Forster.

Il vuoto migliora i processi

Il vuoto è essenziale anche durante la fase di essiccazione per rimuovere anche le più piccole quantità residue di solventi e umidità. Senza il vuoto, il processo di essiccazione dovrebbe essere eseguito a temperature molto più alte e durerebbe molto più a lungo. Questo avrebbe un effetto negativo sulla qualità dell'elettrodo. Non appena gli elettroliti vengono incorporati nelle fasi successive del processo, il vuoto assume un aspetto di sicurezza, poiché molti degli elettroliti utilizzati sono altamente reattivi e infiammabili. Il vuoto di alta qualità è essenziale in questo caso. Da un lato, conferisce purezza al processo in modo che nessuna particella o umidità possa entrare nella cella durante il riempimento e il degasaggio dell'elettrolita. Dall'altro, fornisce un ambiente a bassa reazione senza ossigeno o umidità con cui l'elettrolita potrebbe reagire.  "La sfida più grande sta sempre nella miscela di gas che viene pompata. In genere, tutto ciò che viene pompato e lavorato viene anche trasportato dalla pompa a vuoto. Nella produzione di batterie, questo riguarda i solventi e gli elettroliti che tendono ad essere tossici e possono danneggiare le pompe ed eventualmente l'olio della pompa", dice la Dot.ssa Sina Forster. "Ma anche le temperature ambientali molto calde e l'alta umidità sono, in generale, circostanze che ci presentano delle sfide", aggiunge. È qui che i produttori di batterie sono chiamati ad aiutare, assicurando il corretto raffreddamento della pompa o utilizzando dei condensatori.

Risultati di essiccazione di alta qualità sotto vuoto

Le opportunità di miglioramento esistono in molte aree, poiché non ci sono ancora processi consolidati che si sono dimostrati efficienti. L'essiccamento sotto vuoto, per esempio, è un processo specifico del cliente con pressione, temperatura e gas di processo (come l'azoto). Al fine di ottenere risultati di essiccazione di alta qualità con l'aiuto dell'essiccazione sotto vuoto, sono già in corso progetti di ricerca nel settore sotto la direzione del VDMA. Il rilevamento delle perdite gioca un ruolo centrale nella produzione anche dal punto di vista della sicurezza. La cella deve essere a prova di perdita al 100% per garantire una lunga durata della batteria. Un test di tenuta valido può essere eseguito solo tramite un sistema di rilevamento delle perdite sotto vuoto. Anche le perdite più piccole possono essere rilevate con l'aiuto di un rilevatore di perdite di elio o di uno spettrometro di massa. D'altra parte, le perdite non rilevate accorciano notevolmente la vita utile della batteria e/o portano alla fuoriuscita di elettroliti altamente reattivi. Alcuni componenti delle batterie agli ioni di litio trattati sotto vuoto sono tossici. Per proteggere l'ambiente e la tecnologia del vuoto dalle sostanze inquinanti, la pompa per vuoto deve avere la capacità di resistere a questi gas. Inoltre, i materiali tossici devono essere confinati all'interno del processo e scaricati in modo altrettanto sicuro.

Le pompe a secco fanno risparmiare tempo e denaro

Per questi gas tossici, vengono utilizzate pompe per vuoto a secco. Le pompe per vuoto a tenuta d'olio tendono ad essere inadatte a queste applicazioni, poiché l'olio della pompa potrebbe essere danneggiato o contaminato dai gas. Utilizzando le pompe per vuoto a secco, i produttori di batterie risparmiano tempo e denaro, poiché altrimenti dovrebbero cambiare frequentemente l'olio della pompa. "Le pompe per vuoto a tenuta d'olio sono state sempre più utilizzate nel processo di riempimento e degassificazione degli elettroliti, che ora stiamo sostituendo con pompe per vuoto a secco per molti dei nostri clienti", riassume la Dott.ssa Sina Forster. Al fine di garantire una sufficiente sicurezza di processo nel trattamento dei gas tossici, vengono utilizzate pompe a tenuta ermetica, che impediscono la fuoriuscita anche delle più piccole quantità di gas. Questo è un fattore importante, soprattutto nel caso di elettroliti tossici, dove anche la sicurezza sul lavoro è importante.

Più veloce e più affidabile con la tecnologia del vuoto

La tecnologia del vuoto gioca quindi un ruolo importante nell'essiccazione, nel riempimento degli elettroliti e nel degassamento. "Il vuoto è essenziale in tutte e tre le fasi del processo", sottolinea la Dott.ssa Sina Forster. Ma anche le fasi di processo a monte, come la miscelazione con miscelatori a vuoto, l'impilamento con pinze a vuoto e le fasi di processo a valle, come l'imballaggio, vengono gestite più rapidamente e in modo più affidabile con la tecnologia del vuoto. In futuro, l'influenza di un ambiente sotto vuoto puro e le specifiche possono essere determinate ancora meglio. Con lo sviluppo di fogli di elettrodi marcati individualmente che possono essere tracciati attraverso l'intero processo di produzione utilizzando codici QR laserati, l'influenza dei singoli parametri di processo sulla qualità della batteria può essere tracciata con precisione.

Il vuoto assicura la manipolazione di elettroliti tossici

La tecnologia del vuoto gioca un ruolo importante anche in termini di sicurezza durante la produzione e l'uso delle batterie. Per esempio, la manipolazione sicura di elettroliti tossici in futuro sarà possibile solo in condizioni di vuoto. Guidando auto elettriche, ci affidiamo alla qualità della batteria, che può essere testata e garantita al meglio sotto vuoto. Va detto, tuttavia, che i processi sotto vuoto richiedono sempre più energia di quelli sotto pressione atmosferica. Tuttavia, negli ultimi anni sono stati fatti enormi progressi verso pompe efficienti dal punto di vista energetico, e oggi utilizziamo pompe a vuoto altamente economiche nella produzione di batterie. "Questo significa che ora possiamo dedicarci alle domande fondamentali: Come possiamo ottenere più produttività, sicurezza e qualità nella produzione di batterie progettando in modo efficiente i sistemi per il vuoto? E anche qui, nei prossimi anni faremo molti importanti progressi nel campo della tecnologia del vuoto", conclude la Dott.ssa Sina Forster.