Un lotto di celle pouch esce dalla formazione senza anomalie, poi durante l'invecchiamento tre celle su qualche centinaio mostrano un'autoscarica più alta delle altre. Aprirle è la via più rapida per capire, ed è anche il modo più sicuro per perdere la prova: il taglio sposta gli strati, il solvente evapora, l'elettrodo che sporgeva di un decimo di millimetro non si ritrova più dove stava. Con una tomografia industriale la stessa cella si guarda strato per strato a involucro chiuso, prima di decidere se e dove sezionarla.
Per chi produce o assembla celle, moduli e pacchi batteria, nell'e-mobility come nell'accumulo stazionario, la CT a raggi X è diventata uno strumento ordinario di sviluppo e di qualità. Resta però una tecnica con limiti fisici precisi. La pagina sulla tomografia industriale 3D e le analisi tomografiche spiega la tecnica in generale, mentre sulle batterie al litio pesano il formato della cella, il dettaglio da vedere e il numero di campioni, da cui dipendono risoluzione, tempi e convenienza fra servizio esterno e sistema in casa.
Dentro una cella i difetti che contano misurano decimi di millimetro
In una cella agli ioni di litio l'anodo, di solito grafite su un foglio di rame, è un po' più grande del catodo, ossido metallico su alluminio. Quel margine si chiama overhang e serve a far sì che ogni ione in uscita dal catodo trovi davanti a sé grafite in grado di accoglierlo. Se in un punto il catodo arriva oltre il bordo dell'anodo, durante la carica il litio può depositarsi come metallo sul bordo, il cosiddetto lithium plating, con perdita di capacità e nei casi peggiori dendriti che attraversano il separatore. L'overhang di progetto misura frazioni di millimetro, e va verificato sui bordi e soprattutto agli angoli, dove l'impilamento o l'avvolgimento sbandano più facilmente.
Gli altri difetti che la tomografia cerca nascono quasi tutti in produzione. Particelle metalliche estranee, schegge di taglio e bave sui bordi degli elettrodi possono forare il separatore anche settimane dopo. Nelle celle cilindriche il jelly roll, cioè il rotolo di elettrodi e separatori, può deformarsi verso il centro, soprattutto dopo molti cicli. Le linguette, saldate a ultrasuoni o laser sui fogli e sui terminali, possono avere saldature incomplete o pieghe. Restano porosità e vuoti negli adesivi e nei materiali di riempimento termico dei moduli, delaminazioni del rivestimento attivo e difetti di sigillatura, come la termosaldatura dei pouch o la crimpatura del coperchio nelle cilindriche.
| Difetto | Dove nasce | Cosa mostra la CT | Limite da conoscere |
|---|---|---|---|
| Overhang anodo-catodo insufficiente o negativo | Avvolgimento o impilamento, taglio degli elettrodi | Distanza tra i bordi degli elettrodi, strato per strato, anche agli angoli | Serve un voxel di pochi micrometri nella zona del bordo |
| Particelle estranee | Taglio, notching, ambiente di assemblaggio | Inclusioni metalliche più dense degli strati attivi | Le particelle di pochi voxel o di materiale leggero si confondono con il rumore |
| Deformazione del jelly roll | Avvolgimento, rigonfiamento durante i cicli | Strati collassati o ondulati, soprattutto verso il mandrino | Una sola scansione non dice quando la deformazione è nata |
| Saldature delle linguette | Saldatura a ultrasuoni o laser | Posizione, pieghe, vuoti e distacchi nel giunto | La CT vede la geometria del giunto, la sua resistenza va provata con altri metodi |
| Porosità e vuoti | Adesivi, gap filler, colate nei moduli | Distribuzione e volume dei vuoti nel materiale di riempimento | Il risultato dipende dalla soglia di segmentazione scelta |
| Delaminazione | Calandratura, cicli di vita, gas interno | Distacchi tra rivestimento e collettore, rigonfiamenti | Distacchi più sottili del voxel restano invisibili |
| Sigillatura | Termosaldatura del pouch, crimpatura del coperchio | Continuità e geometria della zona sigillata | Una microperdita di elettrolita richiede una prova di tenuta |
Perché la radiografia 2D non basta a misurare l'overhang
Una radiografia proietta tutto il volume su un piano, quindi in una cella decine di strati si sovrappongono nella stessa immagine. Su una cilindrica, guardando le estremità di profilo, la radiografia 2D mostra bene se i bordi degli anodi sporgono oltre quelli dei catodi, ed è per questo che molte linee la usano in continuo, una cella dopo l'altra. Già sugli angoli di una cella impilata, o su un pouch di grande formato, la sovrapposizione impedisce di attribuire un bordo a uno strato preciso.
La tomografia ricostruisce il volume da centinaia o migliaia di proiezioni prese ad angoli diversi, e permette di tagliare la cella virtualmente su qualunque piano. Così si misura l'overhang di ogni strato su tutti e quattro gli angoli, si segue un foglio lungo l'intero avvolgimento e si localizza una particella in profondità. La rassegna di Pietsch e Wood su Annual Review of Materials Research (2017) resta un buon punto di partenza per capire che cosa la tomografia può dire su elettrodi e celle, dalla microstruttura del rivestimento fino alla cella intera. La terza dimensione si paga in tempo, perché una radiografia richiede frazioni di secondo e una tomografia ad alta risoluzione da molti minuti a qualche ora. Per questo nelle fabbriche le due tecniche convivono, con la 2D in linea su tutte le celle e la CT a campione e sui pezzi sospetti.
Cella, modulo, pacco: la risoluzione la decide la dimensione del campione
Nella tomografia a fascio conico il campione deve stare tutto, o quasi, nel campo visivo del rivelatore. Il voxel ottenibile è quindi legato al diametro dell'oggetto diviso per il numero di pixel utili del detector. Con un rivelatore da circa duemila pixel, un oggetto largo 20 mm si ricostruisce con voxel nell'ordine dei 10 micrometri, uno largo 200 mm nell'ordine dei 100. Sono ordini di grandezza indicativi, perché macchia focale, rumore e artefatti peggiorano la risoluzione reale rispetto al voxel nominale. La guida ASTM E1441 e la pratica ASTM E3375 descrivono questi legami e il modo di verificare le prestazioni di un sistema. Una regola pratica diffusa vuole che un difetto, per essere riconosciuto con affidabilità, copra almeno due o tre voxel.
I formati cilindrici più comuni hanno diametri da 18 a 46 millimetri, e queste celle si scansionano intere con voxel da pochi micrometri a qualche decina. Per vedere i singoli strati vicino ai bordi si ricorre spesso a una scansione locale ad alto ingrandimento su una regione d'interesse, accettando alcuni artefatti ai margini. Nelle prismatiche l'involucro rigido in alluminio o acciaio e le dimensioni maggiori richiedono tensioni più alte e portano il voxel verso le decine di micrometri sulla cella intera. I pouch di grande formato sono il caso più scomodo, perché sono piatti e larghi, e il fascio attraversa molto materiale quando passa nel piano della cella. Si lavora allora sugli angoli con scansioni locali, oppure con la laminografia, una variante pensata per oggetti piatti.
Sui moduli la scala cambia del tutto. Un modulo intero, con involucro, piastre di raffreddamento e decine di celle, si ricostruisce con voxel da qualche decina a qualche centinaio di micrometri. A quella risoluzione l'overhang non si misura, mentre si controllano bene la posizione delle celle, le saldature delle barre di collegamento, la continuità degli adesivi e i vuoti nel materiale di riempimento termico. Il pacco completo, salvo impianti dedicati, si affronta per sottoassiemi. Anche i tempi seguono la scala, da pochi minuti per una scansione rapida a bassa risoluzione fino a ore per una cella studiata strato per strato.
Il contrasto, poi, dipende dai materiali. Il rame del collettore anodico e gli ossidi di nichel, manganese o cobalto del catodo attenuano molto più della grafite e del separatore, e per questo i bordi degli elettrodi si distinguono bene. Il litio, elemento leggerissimo, ai raggi X è quasi trasparente. Il lithium plating si deduce dagli effetti, come rigonfiamenti e distacchi, ma raramente si vede in modo diretto, ed è uno dei motivi per cui la ricerca usa anche la tomografia neutronica, come nello studio di Ziesche e colleghi su Nature Communications (2020), che combina neutroni e raggi X sulla stessa cella.
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Scrivici via email Scrivici su WhatsAppDalla cella nuova a quella ciclata: che cosa cambia nel volume
Una delle applicazioni più utili sta nello sviluppo prima ancora che in produzione. Scansionare la stessa cella prima e dopo una campagna di cicli permette di confrontare due volumi e di vedere dove la struttura è cambiata. Nel lavoro di Kok e colleghi su Sustainable Energy & Fuels (2019) una cella cilindrica commerciale è stata scansionata nuova e dopo 1.061 cicli, quando la capacità era scesa al 79% di quella iniziale. Gli autori hanno "srotolato" virtualmente il jelly roll per ottenere una mappa della deformazione lungo l'avvolgimento, e una parte del calo di capacità è stata attribuita alla delaminazione negli strati più interni.
La ricerca è andata oltre, fino a osservare celle durante il guasto. Il gruppo di Finegan su Nature Communications (2015) ha seguito con tomografia ad alta velocità, in luce di sincrotrone, la fuga termica di celle cilindriche, documentando la formazione di gas, la delaminazione e il collasso degli strati. Sono esperimenti che richiedono grandi infrastrutture di ricerca e restano fuori dalla portata di un laboratorio qualità. Il loro valore pratico sta nel catalogo dei meccanismi che hanno reso visibili, e che oggi guidano il modo di leggere una scansione post mortem su una cella guasta o resa dal campo.
Per un'analisi di guasto la sequenza tipica parte dalla radiografia per orientarsi, prosegue con una tomografia della cella intera e poi con scansioni locali sulle zone sospette. Solo alla fine, se serve, si decide dove sezionare, con il volume CT che indica il piano di taglio. Così la prova distruttiva arriva per ultima, quando si sa già che cosa si cerca e dove.
Celle cariche sul tavolo del tomografo: le regole di manipolazione
Una cella al litio resta una sorgente di energia anche dentro una cabina schermata, e una cella difettosa lo è più di una sana. Prima della scansione conviene concordare con chi ha prodotto la cella lo stato di carica, che per le analisi strutturali è spesso ridotto, e proteggere i terminali con nastro isolante o cappucci. Le attrezzature di fissaggio vanno scelte in materiale isolante e poco attenuante, come schiume e plastiche tecniche, senza punti che possano schiacciare o forare l'involucro. Gonfie, ammaccate o già coinvolte in un guasto, le celle sospette si tengono separate, in contenitori resistenti al fuoco, e si scansionano con procedure dedicate.
Anche la spedizione verso un laboratorio esterno segue regole precise. Le celle e le batterie al litio viaggiano come merci pericolose, e per il trasporto devono aver superato le prove della sezione 38.3 del Manuale delle prove e dei criteri delle Nazioni Unite. I prototipi e le celle danneggiate o difettose, che spesso sono proprio i campioni da analizzare, ricadono in disposizioni speciali più restrittive su imballaggio e documenti. Meglio quindi affidare la spedizione a uno spedizioniere abilitato alle merci pericolose e decidere il numero di campioni prima di imballarli. Un accordo di riservatezza firmato prima dell'invio tutela disegni, chimica e dati di processo.
Servizio conto terzi o tomografo in casa
La scelta dipende soprattutto dalla frequenza. Il servizio esterno conviene per lo sviluppo e la qualifica di nuove celle, per le analisi di guasto, per la qualifica di un fornitore, per i primi campioni di un nuovo modulo e in generale quando le scansioni sono qualche decina l'anno. Ha anche un vantaggio meno evidente: permette di mettere a punto la ricetta di scansione, cioè tensione, filtri, voxel, numero di proiezioni e soglie di analisi, prima di spendere per una macchina. Il servizio di tomografia industriale conto terzi nasce per questi casi, con valutazione di fattibilità sul tuo formato prima del preventivo.
Il sistema in casa diventa sensato quando le scansioni sono quotidiane, quando la qualità di produzione ha bisogno di un riscontro nello stesso turno o quando i campioni non possono uscire dallo stabilimento. A quel punto il conto si fa su più voci: celle scartate o rilavorate senza capire perché, ore di smontaggio distruttivo, tempi di risposta di un laboratorio esterno, rischio che un difetto arrivi sul campo. Un tomografo è però un'apparecchiatura che emette radiazioni ionizzanti, e in Italia rientra nel D.Lgs. 101/2020, con gli adempimenti previsti e l'incarico a un esperto di radioprotezione. Servono anche spazio, operatori formati e un software di analisi adatto alle misure sulle batterie. Per configurare sistemi CT industriali su misura, la strada più sicura parte da una scansione di prova sul campione più difficile, quello che detta il voxel, e su quello più ingombrante, che detta cabina e tensione.
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Dicci formati di cella e modulo, difetti da controllare, numero di scansioni al giorno e se lavori in laboratorio o vicino alla linea: ti supportiamo nella scelta del sistema CT, partendo da una scansione di prova sui tuoi campioni. Preventivo in 24 ore.
Chiedi un preventivo via email Scrivici su WhatsAppChe cosa chiedono le norme sulle batterie, e dove entra la tomografia
Le norme di sicurezza delle celle non prescrivono la CT. La IEC 62660-3 fissa prove e criteri di sicurezza per le celle agli ioni di litio destinate alla trazione dei veicoli elettrici, mentre la IEC 62619 copre le celle e le batterie per applicazioni industriali, accumulo compreso. Entrambe verificano il comportamento della cella in condizioni d'uso scorretto ragionevolmente prevedibili, e un difetto interno come una particella o un overhang negativo è proprio uno dei modi in cui una cella sana in apparenza può arrivare al cortocircuito. La tomografia serve a dimostrare, prima delle prove e dopo, che la cella è costruita come da progetto.
Sul piano regolatorio pesa il Regolamento (UE) 2023/1542 sulle batterie, che introduce requisiti di sicurezza per i sistemi di accumulo stazionari, obblighi di informazione e, dal 2027, il passaporto digitale per le batterie dei veicoli elettrici, dei mezzi di trasporto leggeri e per quelle industriali sopra i 2 kWh. Nessun articolo impone la CT, ma un sistema qualità che documenta la costruzione interna delle celle, lotto per lotto, ha già pronti molti dei dati che clienti e autorità possono chiedere. Per una visione d'insieme sulle applicazioni industriali della tomografia, dalla metrologia ai difetti, resta utile la rassegna di De Chiffre e colleghi su CIRP Annals (2014).
In pratica si parte da una cella vera nel fascio e da una domanda precisa, per esempio quale overhang minimo va garantito o quale particella è già troppo grande. Con quella domanda e con il formato del campione, una scansione di prova mostra se la tomografia risponde, con quale voxel e in quanto tempo, e su quei numeri si decide tra servizio e sistema.
Cosa inviarci per una valutazione
Per proporti una scansione di prova o un sistema adatto ci servono pochi dati:
- formato e dimensioni di cella, modulo o pacco (cilindrica, prismatica, pouch);
- chimica e materiali dell'involucro, se puoi condividerli;
- difetto da cercare o misura da fare (overhang, particelle, saldature delle linguette, vuoti nel gap filler);
- dettaglio più piccolo da vedere, anche solo indicativo;
- numero di campioni, stato di carica e condizioni (nuove, ciclate, guaste);
- scansioni previste al mese e se pensi a un servizio o a un sistema in casa.
Puoi inviarli via email a info@dipitech.com o su WhatsApp. In alternativa puoi usare il modulo contatti.
Con questi dati organizziamo una scansione CT di prova sulle tue celle attraverso il servizio di analisi tomografica conto terzi, oppure ti supportiamo nella scelta di un sistema CT su misura per celle e moduli, con preventivo in 24 ore e supporto tecnico in Italia. Le altre applicazioni sono descritte nella pagina sulla tomografia industriale.
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Domande frequenti sulla tomografia delle batterie al litio
Che cos'è la tomografia industriale e quali vantaggi ha sulle batterie?
È una tecnica a raggi X che ricostruisce il volume interno di un oggetto da molte proiezioni prese ad angoli diversi. Su celle e moduli permette di misurare l'overhang tra anodo e catodo, trovare particelle estranee, valutare deformazioni dell'avvolgimento, saldature delle linguette e vuoti negli adesivi senza aprire l'involucro, quindi senza distruggere la prova prima di sapere dove cercare.
Che risoluzione serve per misurare l'overhang di una cella?
Per distinguere i bordi dei singoli elettrodi servono voxel di pochi micrometri nella zona del bordo. Sulle celle cilindriche si ottengono con la cella intera o con scansioni locali ad alto ingrandimento; sui pouch di grande formato si lavora sugli angoli con scansioni locali o con la laminografia. Sui moduli interi il voxel sale a decine o centinaia di micrometri e l'overhang non si misura.
Quanto dura una scansione CT di una cella batteria?
Dipende dalla risoluzione richiesta e dal formato. Una scansione rapida a bassa risoluzione richiede pochi minuti, una scansione ad alta risoluzione per studiare la cella strato per strato da molti minuti a qualche ora. Per questo in produzione la radiografia 2D si usa su tutte le celle e la tomografia a campione e sui pezzi sospetti.
La tomografia a raggi X vede il lithium plating?
Raramente in modo diretto, perché il litio è un elemento leggero e ai raggi X è quasi trasparente. Il plating si deduce dagli effetti, come rigonfiamenti, distacchi e deformazioni degli strati. Per osservare il litio la ricerca usa anche la tomografia neutronica, spesso combinata con quella a raggi X.
Come si spediscono le celle per una scansione CT conto terzi?
Le celle e le batterie al litio viaggiano come merci pericolose e devono aver superato le prove della sezione 38.3 del manuale ONU; prototipi e celle danneggiate seguono disposizioni speciali più restrittive. Conviene affidare la spedizione a uno spedizioniere abilitato, concordare lo stato di carica, isolare i terminali e firmare un accordo di riservatezza prima dell'invio.
Meglio il servizio di tomografia conto terzi o un sistema CT in casa?
Il servizio conviene per sviluppo, analisi di guasto, qualifica di fornitori e quando le scansioni sono qualche decina l'anno. Il sistema in casa ha senso con scansioni quotidiane, risposte necessarie nello stesso turno o campioni che non possono uscire dallo stabilimento, tenendo conto degli adempimenti di radioprotezione. DIPITECH organizza una scansione CT di prova sulle tue celle e ti supporta nella scelta, con preventivo in 24 ore.