La domanda globale di accumulatori sta vivendo un’accelerazione senza precedenti, trainata principalmente dalla transizione verso la mobilità sostenibile e dalla necessità di stoccare l’energia da fonti rinnovabili. Attualmente, la richiesta di batterie per veicoli elettrici e sistemi di accumulo dell’energia sta crescendo in modo esponenziale. Per rispondere a questa massiccia sfida industriale, il Fraunhofer ITWM (Istituto Fraunhofer per la Matematica Tecnica e Industriale) ha sviluppato soluzioni tecnologiche all’avanguardia che promettono di trasformare i metodi di fabbricazione tradizionali. Attraverso l’integrazione di strumenti di simulazione digitale e sistemi di misurazione innovativi, i ricercatori tedeschi mirano a garantire che i processi produttivi funzionino in modo altamente affidabile ed efficiente, eliminando le inefficienze prima ancora che si manifestino sui macchinari reali.
La simulazione digitale BEST per l’ottimizzazione delle celle
La creazione di modelli matematici avanzati rappresenta il cuore pulsante di questa innovazione, coprendo le fasi cruciali dell’intera catena di produzione, come la miscelazione, il rivestimento e l’essiccazione degli elettrodi. Questo approccio consente di analizzare e ottimizzare digitalmente ogni singolo passaggio prima dell’effettiva implementazione nelle fabbriche, prevenendo errori costosi e riducendo drasticamente il tasso di scarto dei materiali. Lo strumento principale di questa rivoluzione virtuale è il Battery and Electrochemistry Simulation Tool, comunemente noto come BEST. Sviluppato dal dipartimento di Processi di Flusso, questo software di simulazione consente di modellare le batterie agli ioni di litio in 3D sul computer, mappando accuratamente ogni dettaglio, dalla microstruttura degli elettrodi fino al comportamento termico ed elettrico dell’intera cella. Le funzionalità offerte sono estremamente vaste e includono la previsione delle prestazioni delle celle, l’ottimizzazione delle strategie di ricarica rapida e l’analisi approfondita dei fenomeni di invecchiamento e degradazione.
“BEST ci consente di prevedere come si comporteranno le batterie durante l’uso. Possiamo anche prevedere le proprietà delle celle utilizzando simulazioni basate sulla fisica su repliche virtuali di batterie reali. Per citare solo un esempio: stiamo studiando come i parametri di progettazione, come lo spessore dello strato dell’elettrodo, influenzino il comportamento della batteria“, spiega il vice capo dipartimento Jochen Zausch. “Prendiamo in considerazione anche altri fattori importanti, come le proprietà dei materiali e gli scenari di applicazione“.
Attualmente, questo versatile strumento può essere combinato con altri applicativi software ed è già disponibile sul mercato come modulo integrato in BatteryDict, una delle componenti della suite di software GeoDict prodotta da Math2Market, una nota azienda spin-off dello stesso Fraunhofer ITWM. Guardando al futuro prossimo, l’istituto sta lavorando per rendere queste simulazioni accessibili direttamente tramite una piattaforma web nel cloud di Fraunhofer, un’innovazione logistica che eliminerà completamente la necessità di installare il programma BEST a livello locale sui computer aziendali.
Sicurezza termica e modellazione dei moduli con il software FOAM
Un altro aspetto critico nella produzione di batterie ad alte prestazioni riguarda l’assemblaggio e l’isolamento dei singoli elementi che compongono il pacco batteria. All’interno del portafoglio tecnologico dei ricercatori è presente un software specializzato denominato FOAM, progettato specificamente per simulare l’incapsulamento con schiuma dei moduli durante la fase di assemblaggio. Nello specifico, le celle che compongono un modulo devono essere fissate meccanicamente e isolate termicamente l’una dall’altra per prevenire pericolosi fenomeni di surriscaldamento o instabilità termica. Nella pratica industriale, questo risultato si ottiene disponendo le celle cilindriche l’una accanto all’altra e riempiendo gli spazi vuoti intermedi con una schiuma speciale. Il mezzo liquido iniettato si espande e si indurisce, creando una struttura protettiva che avvolge completamente i componenti.
“Con FOAM, possiamo simulare il flusso e l’espansione della schiuma, per poi utilizzare i risultati per determinare nel modello computerizzato della batteria reale se tutti i vuoti saranno riempiti e se la schiuma sarà distribuita uniformemente“, afferma Zausch.
Una volta completato il processo reale di incapsulamento all’interno della linea di montaggio, sorge tuttavia la necessità di verificare con assoluta precisione la stabilità geometrica interna, poiché i movimenti del fluido potrebbero spostare i componenti. Diventa quindi fondamentale ispezionare la disposizione delle celle per scoprire se qualcuna di esse ha modificato la propria posizione originaria durante il delicato processo di indurimento del materiale espanso. Gli ingegneri devono accertarsi che le celle si trovino nella posizione geometrica prevista e che il rivestimento isolante che le ricopre presenti uno spessore perfettamente uniforme.
Tecnologia a terahertz per un controllo qualità non distruttivo
Per rispondere a questa esigenza di precisione millimetrica senza rallentare i ritmi di fabbrica, entra in gioco la sofisticata tecnologia di misurazione a terahertz del Fraunhofer ITWM, che si configura come uno strumento ideale per un controllo qualità rigoroso e avanzato. Questo sistema sfrutta la radiazione elettromagnetica situata nello spettro di frequenza compreso tra le microonde e le onde infrarosse. Il grande vantaggio di questa soluzione risiede nella capacità di facilitare un’ispezione dei materiali completamente senza contatto e del tutto non distruttiva, salvaguardando l’integrità strutturale dei componenti esaminati.
L’importanza di disporre di controlli in tempo reale diventa evidente se si analizzano le proiezioni di crescita industriale del settore nei prossimi anni. Si prevede infatti che nel prossimo futuro verranno costruite circa 1.000 linee di produzione di fogli per elettrodi solo sul territorio europeo, con proiezioni di crescita analoghe stimate per i mercati dell’Asia e del Nord America. In un contesto di produzione di massa così serrato, i sistemi installati direttamente in linea per monitorare la qualità durante il processo di fabbricazione devono necessariamente operare senza toccare i materiali in movimento, per non compromettere la velocità della catena di montaggio.
Misurazione in linea dello spessore per le nuove fabbriche globali
I ricercatori del dipartimento di Caratterizzazione e Controllo dei Materiali hanno quindi ulteriormente espanso e ottimizzato le proprie competenze nella tecnologia a terahertz, applicandola specificamente al monitoraggio continuo e in linea del processo di rivestimento dei fogli per batterie. “I fogli delle batterie sono i componenti principali delle celle delle batterie agli ioni di litio. Il monitoraggio continuo dei parametri dei materiali — lo spessore dello strato e la conduttività dell’elettrodo — è vitale in termini di qualità del prodotto. Utilizziamo la nostra tecnologia di misurazione a terahertz per monitorarli in linea durante la produzione“, afferma Daniel Molter, vice capo del dipartimento di Caratterizzazione dei Materiali.
Queste complesse misurazioni vengono eseguite direttamente in linea sia su rivestimenti a strato singolo che su quelli multistrato applicati ai fogli di anodi e catodi, intervenendo in diversi punti strategici sia durante le fasi del processo a umido sia in quelle a secco. L’intero procedimento di rilevamento avviene in modo costantemente non distruttivo e privo di contatto fisico, offrendo inoltre il significativo vantaggio operativo di eliminare qualunque necessità di implementare costose e complesse misure di protezione dalle radiazioni ionizzanti all’interno degli stabilimenti.
L’intera suite di soluzioni industriali sviluppate in Germania sarà presto presentata alla comunità scientifica e imprenditoriale internazionale. I ricercatori del Fraunhofer ITWM esporranno i propri strumenti di simulazione digitale dedicati alla progettazione di celle e l’innovativo sistema di misurazione in linea dello spessore dei rivestimenti per anodi e catodi in occasione della fiera di settore Battery Show Europe, che si terrà a Stoccarda dal 9 all’11 giugno 2026. Per l’occasione, le tecnologie e i dimostratori saranno ospitati presso lo stand ufficiale della Fraunhofer Battery Alliance, situato all’interno del Padiglione 1, Stand A47.
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