Come è prodotta una cella al litio? Tutto su miscelazione, assemblaggio e riempimento

Le altre due metodologie costruttive, invece, formano una sorta di unico foglio che viene avvolto su sé stesso in diversi modi.

Processo di piegatura a Z

Il metodo di piegatura, denominato Z-Folding mantiene anodi e catodi tagliati in fogli, mentre il separatore rimane continuo. In questo caso i fogli di anodo e catodo vengono prima tagliati e poi inseriti nel separatore, un rotolo continuo che tramite un processo di piegatura a zeta, tiene separati i due elettrodi.

Processo di avvolgimento

Il processo di avvolgimento consiste nell’arrotolare insieme quattro fogli di materiale, dapprima impilati l’uno sull’altro (foglio anodico + separatore + foglio catodico + separatore), e poi avvolti su una base cilindrica o ovoidale, in modo da dare la tipica forma del case della cella prismatica o cilindrica.

Come abbiamo illustrato, le metodologie di assemblaggio possono essere diverse, ma la composizione della cella rimane la stessa. Nelle immagini dei vari processi di assemblaggio vediamo, infatti, come l’anodo ha di base un colore marrone, in quanto il coating è depositato su un sottile strato di rame, poi si ha il separatore plastico o ceramico e infine il catodo, grigio, in quanto depositato su uno strato di alluminio.

Quali sono i pro e i contro delle diverse metodologie di assemblaggio delle celle?

Nella produzione della cella agli ioni di litio non esiste, ad oggi, una chiara prevalenza di una tecnologia rispetto alle altre. Ogni produttore sceglie la metodologia che più preferisce e ognuno sosterrà i vantaggi della sua scelta in base all’utilizzo finale che dovrà fare della batteria al litio nel suo insieme.

Possiamo, però, affermare che la metodologia dello stacking consente di sfruttare bene lo spazio su una cella rettangolare (pouch o prismatica), perché i fogli posizionati in questo modo riescono a riempire perfettamente tutti gli spazi, aumentando così l’area della parte attiva. Questo, però, porta con sé due tipi di rischio:

1. se i fogli sono leggermente sfalsati, in particolare il separatore, quest’ultimo potrebbe non riuscire ad evitare il contatto sui bordi dei due elettrodi e quindi dare origine a corto circuiti
2. anche se fatto a laser, il taglio dei fogli può rovinare i bordi o provocarne imperfezioni, le quali sono un altro elemento scarsamente controllabile nella qualità delle celle

Al contrario, i sistemi di avvolgimento o di piegatura garantiscono meglio la separazione tra gli elementi, perché non ci sono interruzioni nel separatore. Lo svantaggio, in questo caso, si trova nel punto di piega o di curvatura, il quale viene maggiormente sollecitato a livello meccanico e va quindi incontro ad un maggior rischio di rottura, portando i due elettrodi ad un corto.

Inoltre, nella metodologia dell’avvolgimento, il risultato finale è un rotolino di forma più o meno ovale, che fa sì che gli angoli della cella rettangolare non contengano materiale, per cui si avrà un utilizzo inferiore del volume interno. Proprio per questo motivo, spesso, anche le celle di grandi dimensioni vengono realizzate mettendo in parallelo all’interno della cella stessa più rotoli di dimensioni inferiori.

Come si presenta la struttura di una cella al litio dopo l’assemblaggio?

[Fig. 1]*

L’immagine sopra mostra un chiaro esempio della composizione interna di una cella al litio, prima che questa venga inserita nel proprio case di contenimento e utilizzata in moduli per la creazione del pacco batteria al litio completo.  In questo preciso caso parliamo di una cella prismatica, dove sono stati creati due “pacchettini” tenuti fermi da un nastro centrale (giallo).

Al centro si può osservare il separatore (bianco), mentre a destra e a sinistra i due poli, catodo (rame) e anodo (alluminio), che saranno, poi, collegati ai terminali esterni della cella, tramite saldatura a ultrasuoni.

Una volta assemblata, la cella viene inserita in un case e riempita con l’elettrolita

I vari materiali che compongono una cella al litio, una volta assemblati, saranno inseriti in un case di contenimento, con i due poli esterni saldati alle tab interne e un foro centrale di riempimento dove verrà iniettato l’elettrolita che, ricordiamo, ha la funzione fondamentale di far passare gli ioni di litio da catodo ad anodo.

L’animazione mostra il funzionamento delle varie fasi del riempimento della cella, un’operazione che a prima vista sembra semplice, ma è in realtà un processo particolarmente delicato e costoso, che richiede numerosi passaggi. All’interno del foro centrale è inserito un liquido contenente sali di litio, il quale viene man mano assorbito dallo stack per capillarità (dove serve avere liquido è, in realtà, nel mezzo della cella, tra i due elettrodi e il separatore).

Il riempimento è un processo estremamente lento, in quanto, per permettere al liquido di essere assorbito senza fuoriuscire, la cella dovrà essere riempita in diversi momenti; basti pensare che l’ultimo riempimento viene fatto dopo un periodo di aging di qualche giorno. Prima di effettuare la sigillatura finale, verrà poi svolta una fase di controllo del livello di riempimento tramite pesatura della cella. Questo passaggio è fondamentale e strettamente necessario, perché una volta che la cella sarà completamente sigillata, il foro verrà chiuso e non sarà più accessibile.

L’ assemblaggio della cella al litio è solo un pezzo del puzzle

Il corretto assemblaggio delle celle che compongono una batteria al litio, che siano queste prismatiche, cilindriche o pouch, è quindi un’operazione estremamente complessa, che richiede lunghe catene di macchinari e massima precisione in ogni sua fase, elemento imprescindibile per garantirne sicurezza, qualità ed affidabilità nel tempo. È un processo che necessita di un costante e rigido controllo delle impurità e operazioni svolte in camere bianche e senza interruzioni, motivo per cui sono necessari ingenti investimenti e grandi stabilimenti in cui operare.

Dopo la scelta della chimica al litio più idonea, il corretto assemblaggio della cella è certamente il primo passo (di una lunga serie) per raggiungere la completa efficienza di una batteria al litio; una catena complessa di azioni che passano dalla creazione del modulo, all’implementazione di un’elettronica di controllo all’avanguardia con BMS evoluti , per culminare nello sviluppo di pacchi batterie dalle architetture sempre più avanzate.

Ogni applicazione elettrica ha le sue specifiche esigenze e per assicurarne il corretto funzionamento è importante trovare il giusto equilibrio tra tutti questi elementi, che come in un puzzle, devono essere posizionati sapientemente per costruire l’identità del prodotto: un’operazione che solo un produttore esperto e strutturato potrà garantire.