Nuove metodologie di controllo della qualità in linea dell’interfaccia solido-elettrolita delle batterie
Data la diffusione sempre maggiore dei veicoli elettrici, le batterie rimangono un’area di ricerca fondamentale. Per comprendere e migliorare i loro processi di carica, scarica e invecchiamento, è necessario descriverne i componenti su microscala in condizioni reali. Le caratteristiche di impedenza delle batterie su micro e nano scala non sono ancora state approfondite, ma il progetto NanoBat, finanziato dall’UE, ha colmato questa lacuna di importanza fondamentale con nanotecnologie a radiofrequenza a gigahertz (GHz) e strumenti di misurazione dell’impedenza su scala microscopica, per batterie agli ioni di litio e non solo. Queste tecnologie sosterranno la produzione di batterie e il primato dell’Europa in questo mercato globale in crescita.
Approfondimento sull’interfase dell’elettrolita solido
L’interfase dell’elettrolita solido (SEI, Solid Electrolyte Interphase) dell’elettrodo, creata tramite un processo sofisticato alla fine della catena di produzione delle celle della batteria, rappresenta una parte significativa dei costi di produzione delle batterie dei veicoli elettrici. Questo strato sottilissimo, inferiore a un millesimo del diametro di un capello, è fondamentale per le prestazioni, l’affidabilità e la durata della cella della batteria, ma molto spesso presenta anomalie o difetti difficili da individuare. Secondo il coordinatore del progetto NanoBat, Ferry Kienberger dell’azienda austriaca Keysight Technologies, «le tecniche e i modelli di misurazione elettrica di NanoBat riguardano principalmente la comprensione e la previsione dell’affidabilità dello strato SEI prima che la cella delle batterie dei veicoli elettrici venga inserita nel modulo o nel pacco batteria finale.»
Tecniche ad alta risoluzione per la frequenza a banda larga in condizioni di funzionamento naturali
Per quanto riguarda la microscopia a scansione di sonda, «abbiamo esteso la frequenza operativa del microscopio di scansione a microonde a 20 GHz, centuplicando la risoluzione dell’impedenza su scala nanometrica rispetto ai microscopi a bassa frequenza. Il tempo di acquisizione delle immagini da parte dei microscopi è stato ridotto da circa mezz’ora per fotogramma a diversi minuti, mantenendo la risoluzione laterale», spiega Kienberger. «Un nuovo metodo di spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS, Electrochemical Impedance Spectroscopy) calibrato, 10 volte più sensibile a frequenze fino a 100 kHz, ha permesso ai ricercatori di effettuare misurazioni su batterie di veicoli elettrici di grandi dimensioni (un pacco di 396 celle) con una risoluzione di impedenza di pochi microohm», aggiunge Kienberger. Il sistema EIS è stato calibrato metrologicamente e verificato in una prova interlaboratorio con i produttori di apparecchiature originali (OEM, Original Equipment Manufacturers). Infine, il team ha sviluppato una misura di autoscarica per il controllo della qualità delle celle e una nuova prova di separazione ad alta tensione. La prima riduce i tempi di collaudo delle celle nelle linee di produzione delle batterie per veicoli elettrici da una settimana a 20 minuti, limitando così gli sprechi di materiale e il costoso smontaggio di pacchi di celle malfunzionanti.
Soddisfare le parti interessate più esigenti e accelerare l’accesso alla tecnologia
NanoBat ha dimostrato i suoi modelli di impedenza basati sulle nanoscienze e i metodi delle prove metrologiche nella produzione in linea pilota e nelle prove delle OEM sul campo. «I principali attori nel campo della produzione di batterie di veicoli elettrici in Europa (BMW e SAFT) sono membri del gruppo di parti interessate di NanoBat e hanno collaborato a ricerche e pubblicazioni. Chiedono precisione e affidabilità dei dati nonché analisi dell’incertezza di alto livello, tutte richieste che sono state perfettamente soddisfatte dalla comunità NanoBat», osserva Kienberger. Il partner Pleione Energy (Grecia) offre ora un servizio di linea pilota per batterie per veicoli elettrici e il partner polacco ha introdotto una piattaforma web aperta per la caratterizzazione non distruttiva dei materiali, integrando entrambi i risultati di NanoBat. Inoltre, l’Istituto federale svizzero di metrologia offre il nuovo metodo di microscopia a scansione di sonda di NanoBat nella sua gamma di servizi. L’enorme coinvolgimento su LinkedIn (fino a 10 000 visualizzazioni per post) conferma che NanoBat è riuscito a unire diverse comunità di ricerca come le università, le piccole imprese e i principali attori europei nell’elettrificazione delle auto e dei veicoli, sostenendo il Green Deal europeo e le strategie di neutralità carbonica.
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