Il sistema a raggi X di Fraunhofer rivela il funzionamento interno delle celle batteria
Fraunhofer EMI ha sviluppato una tecnologia speciale a raggi X che permette di visualizzare in tempo reale i processi dinamici all’interno delle celle prismatiche di grandi dimensioni. Insieme a PowerCo, la filiale dedicata alle batterie di Volkswagen, questa tecnologia è ora pronta per un utilizzo industriale.
L’Istituto Fraunhofer per la Dinamica ad Alta Velocità, Ernst-Mach-Institut, definisce questa sua innovativa tecnologia a raggi X come “un sistema a raggi X ad alta velocità unico al mondo”. Secondo gli scienziati dell’istituto, essa permette di osservare ciò che accade all’interno delle celle batterie di grandi dimensioni in frazioni di secondo sotto stress – e potrebbe contribuire ad accelerare lo sviluppo di generazioni di celle più sicure per l’industria automobilistica europea.
L’approccio mira a comprendere cosa accade all’interno di una cella batteria quando si guasta. Fino ad ora, i produttori di celle e gli integratori di veicoli si sono affidati a simulazioni, metodi di test distruttivi o misurazioni indirette. Tuttavia, il metodo sviluppato da Fraunhofer EMI permette ora di osservare direttamente la cella in funzione. Secondo il team, il sistema unisce tecnologia a raggi X ad alta prestazione a una camera di test per batterie appositamente progettata e a una tecnologia sensoriale avanzata per registrare simultaneamente temperatura, pressione, tensione e flusso di gas: “Raggiungendo una velocità di registrazione di fino a 1.000 immagini al secondo, rivela processi come la formazione di gas, lo spostamento dei materiali e la propagazione delle crepe all’interno della cella con una risoluzione estremamente elevata – fenomeni che fino ad ora erano rimasti nascosti alla vista.”
Il dottor Sebastian Schopferer, responsabile della sicurezza delle batterie presso Fraunhofer EMI, sottolinea: “Il nostro metodo in-situ ci permette di osservare ciò che accade all’interno di una cella in frazioni di secondo, in tempo reale e con la massima risoluzione. Questo cambia radicalmente il modo in cui comprendiamo la progettazione e la sicurezza delle batterie.” Un importante risultato ingegneristico è stato lo sviluppo di una camera protettiva in grado di proteggere in modo affidabile i componenti sensibili ai raggi X dalle condizioni estreme che si verificano durante il fenomeno di runaway termico delle cellule a ioni di litio.
La rilevanza di questo approccio è ulteriormente dimostrata dall’alto interesse del settore: Fraunhofer EMI ha spiegato di aver già analizzato il fenomeno dell’eiezione dei materiali durante le perdite termiche e il comportamento di propagazione nei sistemi a più celle per diversi produttori automobilistici tedeschi, tra cui VW e Audi. Secondo una dichiarazione: “I dati ottenuti permettono agli ingegneri di valutare i progetti delle celle sulla base dei processi osservati direttamente e di perfezionare i modelli di simulazione con maggiore precisione, fornendo così un reale valore aggiunto per i processi di sviluppo e certificazione dei prodotti.”
Il progetto è strettamente legato a PowerCo, la filiale di Volkswagen dedicata alle batterie. Nella fase successiva, Fraunhofer EMI e PowerCo intendono trasformare congiuntamente questa tecnologia in un’applicazione industriale. L’istituto contribuisce con la sua esperienza nella ricerca sui materiali, nei test di stress sulle batterie e nell’immaginazione ad alta velocità, mentre PowerCo fornisce i requisiti per la produzione in serie e l’accesso a tipi reali di celle.
I primi risultati della collaborazione vengono già integrati nello sviluppo di celle in serie ottimizzate presso PowerCo. Sebbene ciò richieda ancora sforzi logistici, si intravede una soluzione: entro il 2028 sarà installato un sistema a raggi X presso la sede di PowerCo a Salzgitter. Il sistema è adattabile a diversi formati di celle e a nuove chimie cellulari – “un vantaggio importante per lo sviluppo delle future generazioni di batterie”, secondo l’Istituto Fraunhofer.
HW Vassen, CTO di PowerCo, ha commentato: “Grazie all’immaginazione a raggi X ad alta velocità in situ, stiamo portando la ricerca sulle batterie a un nuovo livello. Per la prima volta possiamo rendere visibili i processi dinamici all’interno delle celle in tempo reale e al rallentatore. Questa profondità di analisi senza precedenti ci permette di ottimizzare in modo mirato la sicurezza e la progettazione delle batterie, introducendo innovazioni nell’uso industriale molto più rapidamente. Insieme a Fraunhofer EMI, stiamo promuovendo l’alta tecnologia prodotta in Europa e rafforzando il ruolo dell’Europa nell’industria delle batterie.”
PowerCo è stata fondata dal Gruppo Volkswagen nel 2022 e si occupa dello sviluppo e della produzione delle celle batteria del gruppo. La società ha sede a Salzgitter e sta attualmente costruendo tre fabbriche per la produzione di celle, con una capacità complessiva fino a 200 gigawatt-orari all’anno: a Salzgitter (Germania), Valencia (Spagna) e St. Thomas (Canada).