LA MICROTOMOGRAFIA PER LA VERIFICA DELLE BATTERIE

L'elettrificazione del settore dei trasporti e della mobilità e la crescita dei dispositivi elettronici portatili richiedono fonti di alimentazione con elevate densità di energia e le batterie agli ioni di litio (Li-ion) sono state ampiamente adottate in questi dispositivi.

Tuttavia, i materiali di intercalazione convenzionali a base di ossido di metallo utilizzati nell'elettrodo positivo stanno raggiungendo i loro limiti teorici e si possono ottenere solo miglioramenti relativamente minori nella loro capacità teorica.

"Batteria con struttura di componenti al litio"

Le batterie al litio-zolfo (Li-S) offrono una capacità specifica gravimetrica teorica e una densità di energia più elevate e sono indicate come potenziali successori della tecnologia agli ioni di litio, ma soffrono di un ciclo di vita limitato e di auto scarica a causa della complessa risposta chimica multifase e dalla presenza di reazioni parassite.

Per comprendere meglio i meccanismi fondamentali, i metodi avanzati che utilizzano l'uso di radiazioni penetranti sono diventati strumenti preziosi, per capire il loro funzionamento che il degrado generato nelle batterie.

Le tecniche tridimensionali come la micro-tomografia a raggi X (micro-CT) sono particolarmente adatte per sondare la natura eterogenea delle microstrutture degli elettrodi e delle strutture che compongono le batterie.

"Micro Tomografia di collegamenti interni corretti"                                                      "Micro Tomografia di collegamenti interni difettosi"        

Misurare le caratteristiche microstrutturali tridimensionali degli elettrodi, chiarire la natura sia della dissoluzione che nella deposizione come funzione dello stato di carica e cercare di sviluppare una migliore comprensione dei processi di trasporto che si possono verificare all'interno della batteria.

Come pure verificare le strutture geometriche, l'influenza delle porosità e della tortuosità sulle prestazioni elettrochimiche.

"Micro Tomografia di struttura interna di batterie con diversi difetti"

Attualmente nel settore dell’automobile si sta verificando una vera rivoluzione col passaggio dal motore termico al motore elettrico, ormai è una realtà, che le quote di mercato di quest'ultimo crescono ogni mese.

Uno dei componenti più costosi, importanti e critici per la sicurezza delle auto e degli altri veicoli elettrici sono proprio le batterie.

Molti sono gli automobilisti che stanno abbracciando questa nuova filosofia di guida, ma in tanti non conoscono i dettagli delle batterie come la durata o lo smaltimento di queste componenti e cosa questo possa comportare nel futuro.

Questo componente ha influenza sull'autonomia del veicolo e la sua scarsa qualità può portare ad un suo rapido degrado delle prestazioni, solo una ricerca nelle materie che compongono questo componente può aiutare a renderle più efficienti e sicure.

A causa della loro elevata quota di costo sull’intero veicolo e del fatto che queste batterie sono anche componenti altamente critici per la nostra sicurezza, la loro integrità deve essere garantita con la massima affidabilità utilizzando le più recenti tecnologie per effettuare tutti i test possibili sulle batterie.

Dal punto di vista della produzione, le batterie devono essere testate per evitare una serie di difetti acquisiti per prevenire e avere la massima sicurezza nel suo utilizzo.

Ad esempio, l'alloggiamento deve garantire che le batterie agli ioni di litio siano perfettamente sigillate, poiché l'elettrolita di riempimento produce acido fluoridrico che è altamente tossico a contatto con l'acqua, dannoso per le persone e all’ambiente circostante.

"Immagine Tomografica di impacchettamento di una batteria"

Le contaminazioni metalliche, che possono verificarsi durante la fase del processo di saldatura dell'alloggiamento, possono causare dei possibili cortocircuiti e creare una fuga termica che può essere ravvisata anche nel futuro del suo utilizzo.

Sebbene la delaminazione, la variazione dello spessore del catodo o dell'anodo e la sovrapposizione dell'anodo siano tutti difetti interni che inizialmente potrebbero non causare dei guasti importanti, ma possono ridurre notevolmente la capacità e la durata della batteria stessa perciò vanno perciò individuati alla fine del processo produttivo.

"Batteria bruciata per cortocircuito interno"

La tomografia a raggi-X emerge come una potente strumento per studiare le batterie agli ioni di litio (sia Li-ion che Li-S), consentendo ai controlli non distruttivi di verificare e valutare la qualità di questi sistemi, che contengono componenti solidi normalmente riempiti con elettrolita liquido.

         

"Micro Tomografia su una batteria per smartphone"                    "Impianto di Micro Tomografia utilizzante sia un tubo nanofuoco che uno Microfuoco"   

         

Nell'ultimo decennio, la tomografia a raggi-X ha consentito di verificare la struttura e Indagare i difetti interni nascosti nelle batterie sigillate senza aprirle fisicamente, fornendo informazioni qualitative sul suo funzionamento e il degrado nel lungo periodo.

Nuovi concetti di batteria come le batterie a stato solido possono richiedere un design della microstruttura completamente nuovo.

Poiché non è stato ancora stabilito, per le batterie, un progetto fisso, anche i metodi di analisi devono essere flessibili.

Un esempio recente sono le schiume ceramiche aperte, prodotte utilizzando un metodo di replica in cui una schiuma polimerica viene rivestita con polvere ceramica.

Il polimero brucia durante il processo di sinterizzazione, lasciando dei montanti cavi nella struttura.

Il processo di scansione della Tomografia industriale è molto simile a una TAC medica, utilizzando dati radiografici ad alta risoluzione acquisiti da più angolazioni sul componente da indagare.

"Struttura interna di una batteria"

Questo processo è accessibile ai ricercatori da decenni ormai, ma solo di recente è diventato più conveniente, grazie in gran parte ai progressi dell'immagine digitale a raggi-X e nella capacità di elaborazione dei attuali computer.

Ciò significa che le tecniche di scansione ed elaborazione che in precedenza richiedevano ore o giorni, ora vengono completate in pochi minuti con risoluzioni e visualizzazioni ad alto valore aggiunto effettuando analisi metrologiche che sfruttano filtri, tools e capacità computazionali prima impossibili.

Come evidenziato dai media e tra gli esperti del settore, c'è un urgente bisogno di migliorare la qualità e la sicurezza di questi dispositivi.

Tecnologie come la tomografia computerizzata a raggi-X stanno fornendo a ingegneri e ricercatori le informazioni necessarie per analizzare in modo più efficace i guasti e, in definitiva, migliorare la progettazione delle celle della batteria.

Anche con tutta l'attenzione negativa che circonda le batterie agli ioni di litio, se prodotte correttamente, ci sono ancora vantaggi da esplorare e poter migliorare.

"Impianto di Micro-Tomografia Yxlon"

La Xrayconsult è Sempre disponibili a dare informazioni su questa tecnologia, per i nostri impianti premete questo

link indicato: Tomografia Industriale