Le batterie agli ioni di litio sono sempre più impiegate nell'ambito delle applicazioni a alta potenza come quella dei veicoli elettrici. Con la domanda crescente delle batterie a alta potenza, i loro produttori devono essere in grado di assicurarne un funzionamento sicuro e efficiente attraverso delle rigide misure di controllo qualità.
Un'utile soluzione per il controllo qualità è rappresentata dall'analizzatore XRF portatile. Scopri l'importante ruolo che rivestono nella catena di approvvigionamento delle batterie agli ioni di litio per assicurare che sia costantemente soddisfatti gli standard di controllo in tutte le fasi del processo.
Il futuro è elettrico: Innovazioni con le batterie agli ioni di litio a alta potenza
Le batterie agli ioni di litio sono ampiamente usate in diverse apparecchiature elettriche e elettroniche grazie ai vantaggi che offre: elevato accumulo di energia, elevata potenza, elevato intervallo di temperature operative e lunga durata di vita in immagazzinamento. Infatti si stima una crescita del mercato globale delle batterie agli ioni di litio di 94,4 miliardi di dollari entro il 2025.
Uno dei fattori principali di questa tendenza è rappresentato dall'espansione produttiva dei veicoli elettrici a livello globale: nel futuro è previsto che le batterie agli ioni di litio a alta capacità siano principale fonte di energia dei veicoli elettrici. Attualmente i fornitori di materiali, i produttori di batterie a alta potenza e i produttori di veicoli elettrici stanno collaborando ampiamente sulla ricerca e lo sviluppo di batterie agli ioni di litio con un'alta densità energetica.
I rischi delle batterie agli ioni di litio a alta potenza nell'industria automobilistica
Tuttavia, insieme a queste innovazioni si sono evidenziate delle importanti problematiche in termini di sicurezza. Infatti le batterie agli ioni di litio hanno causato diversi incidenti gravi come incendi e esplosioni. In genere questi incidenti sono stati originati sia da fattori interni che esterni:
- Fattori interni, come la composizione del materiale o il processo di produzione, possono pregiudicare la sicurezza della batteria
- I fattori esterni si riferiscono alle condizioni difficili in cui viene utilizzata la batteria (es: da sovraccarico e da schiacciamento), potendone provocare la dilatazione, la fusione o perfino l'incendio
Il cortocircuito è la causa della maggior parte di incidenti delle batterie agli ioni di litio. Il cortocircuito interno si riferisce a un contatto accidentale tra l'elettrodo positivo e negativo all'interno della batteria.
In genere viene causato da:
- Impurità metalliche introdotte nel processo produttivo
- Bave lasciate dal taglio dei fogli metallici dell'elettrodo
- Dendriti di litio formati dall'uso della batteria
- Schiacciamento e altri tipi di anomale sollecitazioni meccaniche
I malfunzionamenti della batteria agli ioni di litio hanno una causa diretta o indiretta.
Il ruolo degli analizzatori XRF portatili nella catena di approvvigionamento delle batterie agli ioni di litio a alta potenza
Fortunatamente gli analizzatori XRF portatili possono contribuire a gestire le problematiche che emergono durante il processo di produzione. Per evidenziare il loro ruolo nella catena di approvvigionamento delle batterie agli ioni di litio riportiamo di seguito un caso esemplificativo:
Il produttore A di batterie agli ioni di litio ha acquistato diversi analizzatori XRF portatili Vanta™ Olympus per analizzare e testare le principali materie prime per le batterie e le componenti a contatto delle batterie nel proprio stabilimento produttivo.
Analizzatori XRF Portatili Vanta Olympus.
In base ai requisiti di conformità, la concentrazione degli elementi di metallo (inclusi il ferro, l'argento, il cobalto, lo zinco, il rame, il nichel e il cromo) nei materiali degli elettrodi delle batterie agli ioni di litio sono sottoposti a limiti specifici. In genere questi limiti sono di 30–50 ppm, visto che oggetti metallici estranei (anche quantità molto ridotte) presenti nei materiali delle batterie agli ioni di litio possono causare un cortocircuito quando viene utilizzata la batteria.
Di conseguenza nello stabilimento produttivo del produttore A non vi deve essere assolutamente la presenza di componenti metalliche disperse per evitare l'accidentale inserimento di oggetti metallici nei materiali degli elettrodi delle batterie.
La presenza di materiali estranei può causare l'esplosione delle batterie agli ioni di litio se fossero introdotti accidentalmente durante il processo produttivo.
Tuttavia il produttore A di batterie e gli altri produttori di questa industria non sono gli unici operatori del settore che necessitano di misurare il contenuto di metalli estranei nei materiali.
Anche i fornitori di materie prime e i fornitori di macchinari per la produzione delle batterie del produttore A devono svolgere questa operazione per assicurare che la stessa serie di standard di controllo venga applicata all'intera catena di approvvigionamento, sia a monte che a valle. Di conseguenza, il fornitore di materie prime B del produttore A ha acquistato diversi analizzatori XRF portatili per svolgere delle operazioni simili di controllo qualità.
Di conseguenza il fornitore di macchinari C fornisce al produttore A i macchinari per produrre i materiali per le batterie, pertanto anch'essi devono svolgere il controllo qualità su queste componenti. Un esempio è rappresentato dalla pala rotante, come illustrato di seguito.
I cerchi rossi nelle pale indicano le posizioni dove il fornitore C deve eseguire i controlli. La superficie della lega è rivestita di carburo di tungsteno. Se durante il controllo della pala vengono rilevati degli elementi di metallo (es: ferro o rame), i requisiti di qualità non vengono soddisfatti. Empiricamente si è determinato che uno spessore di carburo al tungsteno minimo di 50 µm permette di soddisfare i requisiti di qualità.
Come richiesto dal produttore A, la superficie di tutti i macchinari di produzione devono essere rivestiti di carburo di tungsteno con uno spessore minimo di 50 µm per prevenire l'esposizione delle leghe dei macchinari e per evitare la compromissione della purezza dei materiali della batteria agli ioni di litio.
Inoltre il fornitore C deve eseguire dei controlli di conformità sul carburo di tungsteno acquistato e il fornitore D del carburo di tungsteno deve eseguire lo stesso tipo di operazione. Inoltre i materiali degli elettrodi di litio ternario in genere usati nelle batterie agli ioni di litio possono essere riciclati quando le batterie raggiungono il termine del loro ciclo di vita. Un ottimo approccio degli operatori impegnati nel riciclaggio è anche quello di usare gli analizzatori XRF portatili per controllare e classificare le batterie esauste.
Come illustrato dal seguente diagramma di flusso, i nostri analizzatori XRF portatili possono risultare molto utili in tutte le fasi della catena di approvvigionamento delle batterie agli ioni di litio.
Gli analizzatori XRF portatili possono efficientare tutti gli elementi della catena di approvvigionamento delle batterie agli ioni di litio.
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