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Soluzioni di rilevamento del processo di produzione delle batterie al litio cubiche

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Le ultime innovazioni di rilevamento di Cubic per soddisfare le esigenze di monitoraggio in ogni fase della produzione di batterie al litio

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La produzione di batterie agli ioni di litio richiede un ambiente altamente controllato, protocolli di sicurezza rigorosi e solidi meccanismi di garanzia della qualità in ogni fase della produzione.

Il processo è tipicamente suddiviso in cinque fasi fondamentali:

Step 1: Preparazione del materiale

Step 2: Produzione degli elettrodi

Step 3: Assemblaggio delle celle

Step 4: Formazione e invecchiamento

Step 5: Test finale

In ognuna di queste fasi, l'integrazione di soluzioni di monitoraggio ambientale dell'aria, di monitoraggio della sicurezza e di monitoraggio della qualità del processo garantisce non solo la coerenza e la sicurezza del prodotto, ma anche l'efficienza operativa e la conformità agli standard normativi.

Produzione di batterie al litio: esigenze di monitoraggio in ogni fase

In ogni fase della produzione di batterie agli ioni di litio realizzata in camera bianca, il monitoraggio e il controllo rigorosi sono fondamentali per garantire la conformità alla camera bianca, la qualità del prodotto, la sicurezza e l'efficienza operativa.

Nella fase di preparazione dei materiali, il particolato e l'umidità presenti nell'aria influenzano in modo significativo la reattività e la dispersione dei materiali. Allo stesso tempo, quando si maneggiano catodi ad alto tenore di nichel o anodi a base di silicio nella fase di preparazione del materiale, tracce di umidità possono portare all'ossidazione o all'agglomerazione, influenzando la qualità del prodotto. Pertanto, il monitoraggio dei livelli di umidità in tracce e il mantenimento di un'umidità stabile sono fondamentali per prevenire l'instabilità dei materiali e garantire condizioni ottimali per la lavorazione.

Durante la fase di produzione degli elettrodi, l'N-metil-2-pirrolidone (NMP) è comunemente usato come solvente nella lavorazione degli impasti. Tuttavia, l'NMP è altamente volatile e infiammabile e comporta rischi significativi per la sicurezza. Il monitoraggio continuo della concentrazione di vapori di NMP è necessario per evitare rischi di incendio o di tossicità.

Nella fase di assemblaggio delle celle, le perdite di elettrolita sono un rischio critico, soprattutto quando l'elettrolita è corrosivo e volatile. Qualsiasi perdita può provocare incendi, corrosione o altri problemi di sicurezza, per cui è fondamentale implementare sistemi di rilevamento delle perdite per identificare e ridurre tempestivamente i rischi. Inoltre, il mantenimento di un ambiente pulito durante l'assemblaggio delle celle è fondamentale per evitare contaminazioni e garantire la precisione necessaria per una produzione di alta qualità. L'assemblaggio delle batterie comporta anche rischi potenziali, come microcircuiti o surriscaldamenti localizzati, che possono portare a eventi di fuga termica. Il monitoraggio dei gas, tra cui fumo, monossido di carbonio ed elettrolita vaporizzato, è necessario per rilevare i primi segni di instabilità termica, consentendo un intervento tempestivo e mantenendo la sicurezza.

La fase di formazione e invecchiamento è una delle fasi a più alto rischio nella produzione delle batterie, a causa del calore, dell'espansione dei gas e dello stress strutturale che si verificano quando la batteria viene caricata per la prima volta. Il monitoraggio delle emissioni di gas, tra cui fumo, monossido di carbonio e vapori di elettrolita, è essenziale per rilevare comportamenti anomali e prevenire potenziali incidenti. Il rilevamento precoce di qualsiasi rilascio di gas può essere un segnale di allarme di fuga termica, consentendo una risposta rapida e la riduzione del rischio. Per ridurre al minimo i rischi di incidente, è necessario adottare sistemi efficaci di soppressione degli incendi e di monitoraggio dei rischi durante la fase di formazione e di invecchiamento.

Nella fase finale di collaudo, le batterie sono sottoposte a ispezioni rigorose per garantire qualità e sicurezza. Il rilevamento delle perdite rimane una parte fondamentale del processo, che conferma che nessuna perdita di elettrolito compromette l'integrità della batteria. Il monitoraggio della fuga termica può contribuire all'analisi delle cause di celle anomale, migliorando la tracciabilità e consentendo un continuo perfezionamento del processo.

Soluzioni di rilevamento del processo di produzione delle batterie al litio cubiche

Per soddisfare le esigenze di monitoraggio in ogni fase della produzione delle batterie Li, Cubic, produttore leader di sensori e analizzatori di gas, ha sfruttato le sue tecnologie mature di light scattering, NDIR, TDLAS, MEMS MOX, MEMS Thermal Conductivity e Laser Raman, per sviluppare un portafoglio completo di prodotti per il processo di produzione delle batterie Li, al fine di realizzare il monitoraggio della qualità dell'aria ambientale, il monitoraggio dei processi e della qualità e il monitoraggio della sicurezza di produzione.

Monitoraggio della qualità ambientale dell'aria

Il monitoraggio della qualità dell'aria ambientale è essenziale nella produzione di batterie agli ioni di litio per garantire l'integrità dei materiali, la sicurezza dei lavoratori e la precisione dei processi. Il controllo della qualità dell'aria, compreso il particolato, l'umidità e la temperatura, previene la contaminazione, l'instabilità chimica e i rischi per la sicurezza; inoltre, il monitoraggio della qualità dell'aria garantisce la conformità della camera bianca agli standard normativi, supporta una produzione di alta qualità e migliora la sicurezza operativa in tutte le fasi del processo produttivo.

Per monitorare e controllare in tempo la qualità dell'aria nell'ambiente di produzione delle batterie, Cubic ha adottato la propria tecnologia di diffusione della luce per sviluppare una serie di contatori ottici di particelle applicati al monitoraggio delle particelle negli ambienti di produzione delle camere bianche, che monitorano in tempo reale il numero di particelle sospese di varie dimensioni nell'aria per unità di volume nella camera bianca.

I contatori ottici di particelle online Cubic OPC-6303DS/OPC-6510DS/OPC-6511DS utilizzano l'esclusivo modulo di identificazione intelligente della sorgente di polvere di Cubic, che offre un tasso di identificazione delle particelle e una precisione di rilevamento di elevata efficienza. Il sensore di flusso di gas a ultrasuoni incorporato consente un campionamento a corrente costante di 28,3L e un'eccezionale stabilità dei dati a lungo termine. I contatori di particelle ottici cubici sono progettati con un touch screen da 3,5 pollici per mostrare le informazioni sulle dimensioni delle particelle e i messaggi di avviso. Quando le particelle raggiungono la soglia predefinita, il cicalino incorporato emette un avviso, utile per il monitoraggio nelle camere bianche per la produzione di pannelli. Il campionamento con ventola a turbina a bassa rumorosità consente un monitoraggio continuo con un'elevata stabilità e una lunga durata. Il sistema è inoltre destinato a soddisfare i requisiti delle norme IS014644-1:2015, la versione aggiornata delle GMP, JF1190-2008 e GB/T6167-2007, rendendolo generalmente applicabile nelle camere bianche di Classe 100, Classe 1000, Classe 10.000 e Classe 100.000.

Inoltre, Cubic ha sfruttato la tecnologia TDLAS per sviluppare un sensore di umidità a traccia per il monitoraggio del livello di umidità e le tecnologie NDIR e MEMS MOX per il termostato HVAC per il controllo della qualità dell'aria interna. Il sistema consente di monitorare in tempo reale i livelli di CO₂, VOC e PM2,5, consentendo ai sistemi HVAC delle camere bianche di regolare dinamicamente il flusso d'aria, ottimizzare la ventilazione e mantenere il livello di particelle all'interno.

Monitoraggio dei processi e della qualità

Nel processo di produzione delle batterie al litio, il monitoraggio delle perdite di elettrolita e delle fughe termiche è fondamentale. Gli elettroliti contengono generalmente solventi organici infiammabili e tossici e sali di litio. Una volta fuoriusciti, non solo minacciano la salute del personale e delle attrezzature dell'officina, ma possono anche causare gravi incidenti di sicurezza come incendi ed esplosioni. Allo stesso tempo, la fuga termica è spesso indotta da piccole anomalie. Se manca un monitoraggio efficace, le conseguenze saranno catastrofiche. Pertanto, l'impiego del monitoraggio dei processi e della qualità per le perdite di elettroliti e le fughe termiche ridurrà efficacemente il rischio di incidenti, garantendo la sicurezza del personale e dell'ambiente e migliorando al contempo il rendimento delle linee di produzione per soddisfare le normative di sicurezza sempre più rigorose.

Cubic, sfruttando la sua piattaforma tecnologica completa per i sensori di gas, ha integrato in modo innovativo diverse tecnologie, tra cui l'infrarosso NDIR, il MEMS MOX, la conducibilità termica e la dispersione laser, per sviluppare una serie di sensori di allarme termico. I sensori Cubic per il thermal runaway monitorano efficacemente gli indicatori chiave rilasciati prima del thermal runaway delle batterie al litio, tra cui CO2, H2, CO, temperatura, pressione e particelle di aerosol. I segnali rilevati vengono trasmessi tramite CAN bus al sistema di gestione delle batterie (BMS), fornendo un meccanismo di allarme affidabile e tempestivo per la prevenzione della fuga termica.

Contemporaneamente, Cubic ha applicato la sua tecnologia Laser Raman matura per l'analisi della fuga termica nelle batterie agli ioni di litio. Come tecnica di caratterizzazione molecolare altamente sensibile, la tecnologia Laser Raman consente di monitorare in tempo reale i cambiamenti strutturali nei materiali degli elettrodi, la decomposizione degli elettroliti e le reazioni interfacciali in presenza di temperature elevate o di condizioni di guasto. Durante le prime fasi del runaway termico, la spettroscopia Raman è in grado di rilevare indicatori chiave come CO₂, CO e cambiamenti nell'interfase dell'elettrolita solido (SEI), fornendo approfondimenti critici sui processi chimici che innescano l'instabilità, offrendo un potente strumento per la comprensione della progressione del runaway termico e supportando lo sviluppo di materiali per batterie più sicuri e strategie di gestione termica.

Inoltre, per garantire la sicurezza durante il processo di produzione delle batterie Li, è essenziale adottare misure efficaci per prevenire le perdite di elettrolito. Il rilevatore portatile di perdite di elettrolito AM4210, sviluppato da Cubic, è stato progettato con un display LCD TFT, in grado non solo di rilevare i punti di perdita, ma anche di analizzare quantitativamente la concentrazione di perdite nell'ambiente corrente e di presentare i dati relativi alla concentrazione attuale.

Monitoraggio della sicurezza di produzione

Nella produzione di batterie al litio, il monitoraggio della sicurezza è una priorità fondamentale in tutti i processi come il rivestimento degli elettrodi, l'assemblaggio delle celle e il riempimento dell'elettrolito. Uno dei rischi principali risiede nell'uso dell'NMP (N-metil-2-pirrolidone), un solvente volatile e tossico ampiamente utilizzato durante la fase di preparazione e rivestimento degli impasti. Le perdite di vapori di NMP non rilevate non solo comportano gravi rischi per la salute dei lavoratori, ma aumentano anche il rischio di incendi e di non conformità alle normative. Il rilevatore di perdite di NMP di Cubic offre un'elevata sensibilità e una risposta rapida al gas NMP a bassa concentrazione in tempo reale, consentendo un allarme tempestivo e un controllo efficace della ventilazione per garantire la sicurezza sul lavoro e la continuità della produzione. Nel frattempo, nelle aree di lavorazione delle polveri e di formazione delle batterie, il contatore di particelle ottiche antideflagranti Cubic fornisce un monitoraggio affidabile delle particelle sospese nell'aria anche in ambienti infiammabili. Progettato con alloggiamenti certificati ATEX e ottiche antistatiche, consente di misurare con precisione la concentrazione di PM nelle zone pericolose, supportando la prevenzione del rischio di esplosione delle polveri e il controllo di qualità delle camere bianche. Queste soluzioni di rilevamento costituiscono una parte essenziale di un sistema integrato di monitoraggio della sicurezza, che salvaguarda la produzione di batterie al litio con precisione e affidabilità.

Nell'industria delle batterie al litio, la necessità di monitorare i processi sta diventando sempre più importante. Le prestazioni, la durata e la sicurezza delle batterie al litio dipendono da un monitoraggio accurato in tutte le fasi del processo produttivo. Dalla selezione delle materie prime all'assemblaggio delle batterie, ogni fase richiede un rigoroso controllo dei processi per evitare potenziali difetti o fattori di rischio. Grazie a soluzioni di monitoraggio complete, Cubic non solo migliora l'efficienza produttiva e la qualità dei prodotti, ma accresce anche notevolmente la sicurezza e le capacità di sviluppo sostenibile dell'industria delle batterie al litio.

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