Come funzionano le batterie? Si capisce ai raggi X

Un nuovo sistema a raggi X sviluppato dal Fraunhofer EMI permette di osservare in tempo reale i processi che avvengono all’interno delle grandi celle prismatiche agli ioni di litio in condizioni di stress. La tecnologia, capace di acquisire fino a 1.000 immagini al secondo, sarà portata verso l’applicazione industriale insieme a PowerCo, la società di Volkswagen dedicata alle batterie.

Una finestra sull’interno della cella

Capire cosa succede realmente all’interno di una batteria quando si avvicina a una condizione di guasto è uno dei passaggi più complessi nello sviluppo delle celle. Finora, produttori e integratori hanno dovuto affidarsi soprattutto a simulazioni, test distruttivi e misurazioni indirette.

Il Fraunhofer Institute for High-Speed Dynamics, Ernst-Mach-Institut (EMI) ha sviluppato invece un sistema di imaging a raggi X ad alta velocità che consente di osservare direttamente i fenomeni dinamici all’interno della cella mentre sono in corso.

Il sistema può arrivare a 1.000 immagini al secondo e rendere visibili fenomeni come la formazione di gas, lo spostamento dei materiali e la propagazione delle fratture. La diagnostica viene effettuata all’interno di una camera di test appositamente progettata e abbinata a sensori che registrano contemporaneamente temperatura, pressione, tensione e flusso dei gas.

Dalla propagazione delle crepe al thermal runaway

Uno degli ambiti di maggiore interesse è lo studio del thermal runaway, la fuga termica che può portare a un rapido aumento della temperatura e a fenomeni di espulsione di materiale e gas.

La principale difficoltà tecnologica consiste proprio nel riuscire a effettuare l’osservazione senza che le condizioni estreme della prova danneggino il sistema di imaging. Fraunhofer EMI ha quindi sviluppato una camera protettiva capace di isolare i componenti sensibili ai raggi X durante i test più severi.

Il laboratorio ha già utilizzato questa tecnologia per caratterizzare l’espulsione di materiali durante la fuga termica e il comportamento della propagazione del fenomeno in configurazioni multi-cella, anche nell’ambito di attività svolte per diversi costruttori tedeschi, tra cui Volkswagen e Audi.

PowerCo porta la tecnologia verso la produzione

La collaborazione con PowerCo, la società del gruppo Volkswagen responsabile dello sviluppo e della produzione delle celle, punta ora a trasformare questa capacità di analisi in uno strumento utilizzabile a livello industriale.

BYD contro CATL, è guerra delle batterie in Cina fra test artigianali e accuse

Fraunhofer EMI mette a disposizione competenze in ricerca sui materiali, test di abuso delle batterie e imaging ad alta velocità. PowerCo contribuisce invece con i requisiti legati alla produzione in serie e con l’accesso alle proprie celle.

I dati raccolti possono essere utilizzati per confrontare direttamente diversi progetti di cella, migliorare i modelli di simulazione e individuare più rapidamente eventuali criticità legate alla sicurezza. Un passaggio importante anche per i processi di sviluppo e certificazione delle batterie.

A Salzgitter il sistema industriale entro il 2028

La fase successiva prevede l’installazione, entro il 2028, di un sistema a raggi X presso il sito PowerCo di Salzgitter, in Germania.

Secondo Fraunhofer EMI, l’architettura sarà scalabile per differenti formati di cella e potrà essere adattata anche a nuove chimiche. Questo aspetto è particolarmente rilevante in una fase in cui l’industria europea sta lavorando contemporaneamente su diverse evoluzioni delle batterie, dalle celle prismatiche alle nuove generazioni di materiali e composizioni chimiche.

PowerCo sta già utilizzando i primi risultati della collaborazione nello sviluppo delle proprie celle di serie. Il sistema previsto a Salzgitter dovrebbe rappresentare il passaggio successivo: portare una tecnica oggi fortemente specialistica dentro il processo industriale di sviluppo delle batterie.

• LEGGI anche: “Così Reinova allunga la vita alle batterie” e guarda il VIDEO