La dispersione ad alta pressione rende più sostenibile la produzione di batterie LFP
La macinazione a getto umido fa risparmiare il 42% di energia nella produzione di catodi di litio e fosfato di ferro
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I ricercatori del Fraunhofer IPA dimostrano come diversi processi di dispersione ottimizzino la produzione di catodi ecologici di litio ferro fosfato. La fresatura a getto d'acqua consente di risparmiare energia di processo fino al 42%, a parità di prestazioni della batteria.
Vista del sistema di fresatura a getto umido presso il Fraunhofer IPA
Fraunhofer IPA, Rainer Bez
Le batterie agli ioni di litio sono la spina dorsale dell'elettromobilità e dei moderni sistemi di stoccaggio dell'energia. Tuttavia, la loro produzione è dannosa per l'ambiente: i leganti standard come il fluoruro di polivinilidene (PVDF) - una plastica che tiene insieme gli elettrodi - richiedono il solvente tossico N-metil-2-pirrolidone (NMP). Gli scienziati dell'Istituto Fraunhofer per l'ingegneria della produzione e l'automazione IPA hanno ulteriormente sviluppato la produzione di catodi di fosfato di ferro e litio a base acquosa, analizzando sistematicamente l'influenza dei diversi processi di dispersione. Nel processo viene utilizzato il legante a base biologica carbossimetilcellulosa (CMC). La CMC è solubile in acqua, deriva dalla cellulosa e consente un controllo del processo completamente basato sull'acqua, senza solventi organici.
Per i catodi, gli elettrodi positivi, il fosfato di ferro e litio (LFP) è considerato un'alternativa più sicura ed economica agli elettrodi di ossido di nichel manganese cobalto (NMC). Questo perché l'LFP non richiede metalli critici come il cobalto e il nichel, è termicamente stabile e raggiunge lunghe durate di ciclo. Nella pratica industriale, tuttavia, la conduttività relativamente bassa dell'LFP rallenta le prestazioni ad alte velocità di carica e scarica.
Due processi di dispersione per gli impasti di LFP a confronto diretto
Il team ha analizzato sistematicamente due processi di rilevanza industriale che mescolano una pasta di materiale attivo, nerofumo conduttivo, legante e acqua: un dissolutore classico e il processo di macinazione a getto umido ad alta pressione. Nella miscelazione con dissolutore, un disco dentato ruota ad alta velocità nella pasta, nota anche come slurry, creando forze di taglio che rompono gli agglomerati di particelle. La macinazione a getto d'acqua è un processo ad alta pressione in cui la pasta viene pressata attraverso micro-ugelli fino a 2200 bar. Genera collisioni intense tra le particelle e una comminuzione particolarmente efficiente.
I ricercatori hanno caratterizzato le paste ottenute in termini di distribuzione granulometrica, viscosità (comportamento di flusso) e sedimentazione. Gli elettrodi rivestiti e calandrati - cioè gli strati elettrodici compattati - sono stati analizzati con misure di spessore e microscopia elettronica a scansione. Le prestazioni elettrochimiche sono state determinate mediante test C-rate. In questi test, le celle della batteria vengono testate a diverse velocità di carica e scarica: 0,1 C = carica/scarica molto lenta, circa 10 ore per la carica/scarica completa; 1 C = "nominale", 1 h; 3 C = molto veloce, 20 min.
Differenze significative nelle proprietà di lavorazione
I risultati mostrano differenze significative nelle proprietà dello slurry: La macinazione a getto d'acqua ha ridotto la dimensione media delle particelle del 39% (da 7,91 a 4,78 micron) e ha abbassato drasticamente la viscosità: del 96% a basse velocità di taglio, dell'80% a velocità di taglio medie e del 64% a velocità di taglio elevate. Le particelle più fini e la minore viscosità della macinazione a getto umido hanno permesso di lavorare un contenuto di solidi più elevato rispetto alla pasta dissolvente, riducendo così l'energia necessaria per l'essiccazione.
Le micrografie elettroniche a scansione hanno mostrato che gli elettrodi prodotti con la macinazione a getto umido erano più omogenei e densamente impacchettati. L'interfaccia con il collettore di corrente in alluminio era più liscia e chiusa, il che suggerisce un migliore flusso di corrente e una maggiore stabilità meccanica.
Le prestazioni elettrochimiche rimangono sostanzialmente stabili
Nonostante le differenze significative nelle proprietà di lavorazione, le prestazioni elettrochimiche degli elettrodi differiscono solo leggermente. Alla maggior parte dei tassi di C testati, le capacità di scarica - cioè la quantità di energia elettrica che la batteria può rilasciare - erano all'interno della tolleranza di misurazione. Solo a 1,0 C la variante con fresatura a getto d'acqua ha mostrato una capacità superiore del 12,8% (83,8 contro 73,1 milliampere-ora per grammo). I ricercatori attribuiscono questo risultato alla maggiore superficie attiva delle particelle più piccole, che consente reazioni elettrochimiche più rapide.
Risparmio energetico e rilevanza industriale
Un bilancio energetico complessivo per la miscelazione e l'essiccazione mostra il vantaggio decisivo: la combinazione di macinazione a getto umido e miscelazione con dissolutore per la formulazione completa ha richiesto 0,98 kilowattora per chilogrammo di pasta (kWh/kg) - rispetto a 1,70 kWh/kg per il processo di dissoluzione puro. Insieme all'energia di essiccazione, ciò corrisponde a un risparmio energetico del 42%. Il maggiore contenuto di solidi della pasta di macinazione a getto umido riduce quindi i tempi di essiccazione e aumenta l'efficienza produttiva.
"I nostri risultati dimostrano che l'ottimizzazione dei processi produttivi è importante quanto la scelta dei materiali", spiega l'autrice dello studio Leah Jalowy e il suo collega Dominik Nemec aggiunge: "La lavorazione a base d'acqua con il legante CMC elimina i solventi tossici dalla catena di produzione, mentre l'ottimizzazione dei processi di dispersione consente di risparmiare energia e migliorare la qualità del prodotto, senza incidere in modo significativo sulle prestazioni della batteria".
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista open access AppliedChem il 5 novembre 2025 e fornisce importanti indicazioni per i produttori di batterie che desiderano stabilire processi di produzione sostenibili. Sebbene le indagini siano state condotte su scala di laboratorio, i risultati suggeriscono che i vantaggi sono ancora più significativi se portati su scala industriale.
Il lavoro per lo studio è stato svolto all'interno della piattaforma tecnologica del centro di dispersione del Fraunhofer IPA in stretta collaborazione con il produttore giapponese di macchine Sugino. Insieme ad aziende associate come Sugino, il Dispersion Centre lavora e affronta i temi attuali della ricerca sulla dispersione in modo intersettoriale e mirato.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Tedesco può essere trovato qui.
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