Riassunto analitico
Secondo diversi studi la domanda globale delle batterie al litio è destinata a crescere dai circa 700 GWh nel 2022 a 4,7 TWh nel 2030, con una crescita annuale del 27%. Secondo le previsioni nel 2030 4,3 TWh saranno destinati alla realizzazione di veicoli elettrici, quindi nel settore dell’automotive le batterie al litio giocano un ruolo fondamentale. Tuttavia nel processo produttivo delle batterie esistono alcune criticità, tra queste si ricorda che solamente due fasi del processo produttivo occupano il 54% dei costi di produzione degli elettrodi e il 21% dei totali. Queste due fasi sono il rivestimento e l’asciugatura. L’essiccazione rappresenta la fase di produzione più dispendiosa dal punto di vista energetico e quindi la più costosa in termini economici. Infatti offre anche il massimo potenziale per la riduzione dei costi totali produttivi. Oggigiorno lo stato dell’arte della fase di asciugatura è rappresentato da essiccatori a convezione. In questo processo vengono utilizzati flussi di aria calda per condurre calore nella superficie dell’elettrodo rivestito in modo da portare ad evaporazione la fase liquida. Durante questa fase l’obiettivo è quello di rimuovere la più alta quantità possibile di solvente poiché, qualora rimanesse anche in piccola percentuale, influenzerebbe negativamente le performance della batteria stessa.
In alternativa ai forni a convezione negli ultimi anni sono stati compiuti progressi notevoli nelle tecnologie di essiccazione tramite laser. Durante questo processo l’energia emessa dai fotoni è utile a far evaporare la giusta quantità di solvente. Questa interazione tra laser e materiale è una complessa combinazione di energia fotochimica e processi fototermici che dipendono sia dal laser stesso che dalle proprietà dei materiali coinvolti. Un aspetto interessante dei laser che è anche il motivo per cui sono adatti a questa applicazione è che emettono un fascio ad alta densità di energia su una superficie di geometria facilmente controllabile. Lo scopo di questo lavoro di tesi è infatti quello di dimostrare se il laser può essere un’alternativa valida ai tradizionali forni a convezione e se può essere potenzialmente utilizzato in futuro per ridurre l’impatto ambientale del processo produttivo delle batterie al litio.
È importante sottolineare che questo elaborato ha l’obiettivo di essere una descrizione della fattibilità e del primo approccio a cui dovranno seguire ulteriori approfondimenti prima dell’implementazione di sistemi laser in una linea produttiva.
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Abstract
According to various studies, global demand for lithium batteries is expected to grow from around 700 GWh in 2022 to 4,7 TWh in 2030, with an annual growth of 27%. According to forecasts, in 2030 4.3 TWh will be destined for the creation of electric vehicles, therefore in the automotive sector lithium batteries play a fundamental role, among the most important is also the application on small electronic devices and for devices aimed at to energy storage. Unfortunately, there are some critical issues in the battery production process, among these it should be remembered that only two phases of the production process occupy the 54% of the production costs of the electrodes and the 21% of the total costs. These two phases are coating and drying. Drying rapresents the most energy-intensitive production phase and tjerefore the most expensive in economic terms. In fact, it also offers the greatest potential for reducing total production costs. Nowadays the state of the art of the drying phase is represented by convection dryers. In this process there is a flow of hot air that is used to conduct heat into the surface of the coated electrode. Thanks to te heat is possible to eveporate the liquid phase. During the drying phase the aim is to remove the highest quantity of solvent.
As an alternative to convection ovens, in recent years notable progess has been made il laser drying technologies. During this process the energy emitted by the photons is useful for evaporating the right amount of solvent. This interaction between laser and material is a complex combination of photochemical energy and photothermal processes that depend both on the laser itself and on the properties of the materials involved. An interesting aspect of lasers which is also the reason why they are suitable for this application is that they emit a high energy density beam onto a surface of easily controllable geometry. The aim of this thesis work is to demonstrate whether the laser can be a valid alternative to traditional convection ovens and whether it can potentially be used in the future to reduce the environmental impact of the lithium battery production process.
It is important to underline that this paper aims to be a description of the feasibility and the first approach which must be followed by further investigations before the implementation of laser systems in a production line.
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