Produzione sostenibile di batterie in vista

Produzione ecologica di batterie

Uno dei punti salienti del progetto è la conversione della produzione di catodi in un processo acquoso. Questa innovazione rende la produzione di batterie molto più sostenibile. Inoltre, è stata effettuata una valutazione economica dei nuovi processi di riciclaggio delle batterie, che sono già più economici su scala pilota rispetto ai processi pirometallurgici e idrometallurgici precedentemente utilizzati nell'industria. Il team del progetto può guardare con orgoglio al lavoro svolto insieme. Tutti gli obiettivi e le tappe fondamentali del progetto coordinato da Carl Padberg Zentrifugenbau GmbH con dieci partner diretti del progetto e due partner associati sono stati raggiunti. Il potenziale di realizzazione commerciale dei risultati è elevato.

Importanti sviluppi del progetto IDcycLIB

Nel 2021, il progetto di ricerca congiunto IDcycLIB si è concentrato sullo sviluppo di un ciclo di vita sostenibile delle batterie con cinque obiettivi di lavoro chiave:

• "Batterie al litio più ecologiche" con processi basati sull'acqua nella produzione dei catodi.
• "Design per il riciclaggio" per facilitare il successivo ricondizionamento delle batterie dismesse, ad esempio una più facile rimozione delle giunture di tenuta.
• Rilevabilità / passaporto della batteria - chiara identificazione attraverso particelle marker magnetiche e fluorescenti.
• Processi di riciclaggio ad acqua - triturazione elettroidraulica lungo i confini del materiale e tecnologie innovative di centrifugazione.
• Valutazione del ciclo di vita e Life Cycle Costing - considerazione dell'intero ciclo di produzione e di vita della batteria in relazione al suo impatto sull'ambiente, compresa una piattaforma digitale per l'implementazione del passaporto della batteria richiesto.
• Il coordinatore del progetto, Felix Seiser, della Carl Padberg Zentrifugenbau GmbH, ha dichiarato: "Si è trattato dell'intero processo di creazione del valore della batteria e del suo potenziale di miglioramento in termini di rispetto dell'ambiente, prestazioni ed economicità".

Importanza del passaporto digitale delle batterie

Il regolamento europeo sulle batterie prevede un'etichettatura significativa per le batterie del futuro. Questa etichettatura fornisce informazioni importanti per il funzionamento sicuro e il recupero efficiente dei materiali delle batterie, oltre a quantificare l'impronta di carbonio. Tuttavia, gli strumenti tecnici e gli standard per la registrazione dei dati di produzione e l'assegnazione individuale alle singole celle delle batterie non sono ancora stati standardizzati.

Il dottor Andreas Flegler, coordinatore scientifico del progetto presso il Fraunhofer ISC, spiega: "Nel progetto IDcycLIB abbiamo sviluppato processi e materiali che consentono la raccolta automatizzata e personalizzata dei dati nella produzione delle celle e il loro trasferimento a un sistema di database adeguato". Il fulcro del lavoro in questo settore è stata la definizione di un passaporto per le batterie da parte di ipoint. Questo permette per la prima volta di mappare l'intero processo, dalla produzione delle celle, alla raccolta dei dati durante la produzione, all'assegnazione di un UUID, alla memorizzazione dei dati, alle interfacce fino all'identificazione delle celle, al recupero e alla visualizzazione del passaporto della batteria. Il tutto con un marcatore a prova di manomissione, estremamente robusto e quindi ideale per prodotti di lunga durata come le batterie. Utilizzando le particelle magnetiche appositamente progettate dal gruppo di particelle della Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, insieme alla metodologia di rilevamento del Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS e ai modelli di particelle di Polysecure, ogni cella della batteria può essere identificata a prova di falsificazione con la propria "impronta digitale" personale. Anche i singoli componenti, come i materiali degli elettrodi, sono stati etichettati con particelle marcatrici fluorescenti di Polysecure, per tracciare il percorso dei materiali e facilitare la selezione nel processo di riciclaggio.

Lo sviluppo di questo sistema di marcatori, che può anche identificare i singoli componenti all'interno della cella della batteria senza interromperne il funzionamento o ridurne la durata, ha rappresentato una sfida particolare per il team del progetto. L'identità unica attraverso i modelli di particelle è stata collegata a un cosiddetto "Universally Unique Identifier" (UUID). L'UUID è una sequenza di cifre che si verifica una sola volta al mondo e viene utilizzata per identificare in modo univoco le informazioni nei sistemi informatici. L'UUID collega la rispettiva cella o componente con il corrispondente record di dati generato in produzione. Ciò consente di indirizzare diversi livelli - passaporti individuali per i singoli componenti e per la batteria nel suo complesso - e di fornire le informazioni pertinenti sulle proprietà del prodotto, sulla composizione, sulle materie prime critiche, sulla riciclabilità, sull'impronta di carbonio e su specifiche variabili misurate.

Per recuperare le informazioni è stata utilizzata una nuova tecnologia di rilevamento di Polysecure, in grado di leggere ed elaborare rapidamente le informazioni memorizzate nello schema delle particelle. La fornitura dei dati di produzione nel passaporto della batteria è stata resa possibile utilizzando i modelli di dati delle reti di scambio dati esistenti, come la rete automobilistica CATENA-X, e in preparazione del "connettore Eclipse Dataspace". Ciò garantisce la necessaria interoperabilità, ossia la possibilità di scambiare dati attraverso sistemi comuni, e consente un rapido accesso ai dati memorizzati nel passaporto delle batterie.

Progressi nella produzione di elettrodi

Per rendere più sostenibile la produzione dei componenti delle batterie, IDcycLIB ha analizzato il processo di produzione dei catodi. Per il PVDF (fluoruro di polivinilidene) utilizzato come materiale legante - un membro della famiglia dei PFAS, sempre più criticata - il team IDcycLIB del Fraunhofer ISC ha utilizzato un legante a base di cellulosa. Inoltre, il solvente NMP (N-metil-2-pirrolidone) precedentemente utilizzato nella produzione dei catodi è stato sostituito dall'acqua. L'NMP è considerato tossico per la riproduzione, cioè può compromettere la fertilità.

Il processo basato sull'acqua sviluppato in IDcycLIB rappresenta quindi un passo importante verso una produzione di batterie più rispettosa dell'ambiente. "L'acqua è sempre l'agente di processo preferito. Ma in questo caso abbiamo dovuto fare i conti con la difficoltà di danneggiare con l'acqua i normali materiali del catodo e anche gli scaricatori di corrente in alluminio", spiega Flegler. Per proteggere dai danni il materiale attivo dei catodi, necessario per immagazzinare la carica nella batteria, il team del Fraunhofer ISC ha modificato la superficie con un rivestimento speciale. Il processo di produzione dei catodi con materiali più ecologici è stato scalato a un processo roll-to-roll. Questo è stato utilizzato per produrre celle di batteria su scala prototipale per i successivi test di durata e riciclaggio. Il processo a base d'acqua è una vera novità su questa scala e offre un ulteriore vantaggio, come spiega Seiser: "Grazie al legante di cellulosa idrosolubile, possiamo utilizzare l'acqua come solvente per il successivo riciclaggio".

Riciclo diretto economico

I partner considerano i progressi compiuti nel riciclaggio diretto come un particolare successo del progetto. Le celle della batteria vengono divise in modo pulito lungo i confini del materiale utilizzando un nuovo processo noto come triturazione elettroidraulica (EHZ) presso il partner del progetto REELEMENTS e possono poi essere separate, cioè "classificate", nelle singole frazioni di materiale utilizzando l'innovativa tecnologia di centrifuga di CEPA, automatizzata e scalata in IDcycLIB. In questo modo, i materiali delle batterie possono essere recuperati mantenendo la loro funzione e utilizzati direttamente per la produzione di nuove celle per batterie.

L'eventuale invecchiamento dei materiali può essere curato con processi di rigenerazione. Una nuova tecnologia di misurazione consente inoltre di determinare direttamente e rapidamente (in pochi minuti) il contenuto di litio, fluoro e alluminio nell'acqua di processo. "Il riciclaggio diretto non solo ha un elevato potenziale ecologico rispetto allo stato dell'arte. Anche sulla scala del nostro piccolo progetto, è più economico dei processi convenzionali come la pirometallurgia e l'idrometallurgia", conclude orgoglioso il coordinatore del progetto Seiser. Questo vantaggio è stato chiaramente dimostrato dall'analisi del ciclo di vita condotta dal partner del progetto EurA. Ciò significa che il progetto IDcycLIB ha davvero fatto un grande passo avanti".