Soluzioni economiche per leganti basate su copolimeri VAE

Perché i copolimeri VAE garantiscono un’efficienza economica superiore nella produzione degli elettrodi

Risparmi sulle materie prime rispetto ai sistemi PVDF e CMC/SBR

Sostituire vecchi leganti tradizionali, come il PVDF o le miscele CMC/SBR, con copolimeri VAE può ridurre sensibilmente i costi dei materiali del 15%, fino anche al 20%, poiché è necessaria una quantità minore di polimero per ogni foglio dell’elettrodo. La differenza principale risiede nel fatto che il PVDF richiede un solvente costoso e pericoloso, la N-metil-2-pirrolidone (NMP). Essendo invece a base acquosa, il VAE consente alle aziende di risparmiare sui costi di acquisto, stoccaggio e smaltimento di questo solvente tossico. Un ulteriore vantaggio è la protezione contro le forti fluttuazioni dei prezzi del PVDF, causate dalla limitata disponibilità di fluoro e da normative più severe riguardo ai composti fluorurati. Secondo una ricerca condotta da Ponemon nel 2023, gli impianti con linee di produzione da cinque gigawattora hanno effettivamente registrato un risparmio annuo di circa settecentoquarantamila dollari soltanto su materiali e spedizioni dopo aver effettuato tale passaggio.

Minore consumo energetico derivante dalla lavorazione a base acquosa e da temperature di essiccazione ridotte

Il metodo di lavorazione acquosa utilizzato nel VAE riduce il fabbisogno di energia termica di circa il 40% rispetto ai tradizionali sistemi a base di solvente. Il processo di essiccazione avviene a una temperatura compresa tra 80 e 90 gradi Celsius, ossia circa 50–60 gradi in meno rispetto a quella necessaria per l’evaporazione dell’NMP nelle applicazioni con PVDF. Questa differenza di temperatura ha un impatto concreto sia sul consumo di elettricità sia su quello di gas nella fase di polimerizzazione. L’eliminazione della necessità di attrezzature per il recupero dell’NMP comporta inoltre un ulteriore risparmio energetico, poiché non sono più richieste le torri di distillazione del solvente, che normalmente consumano da 25 a 30 chilowattora per metro cubo. Studi basati sull’intero ciclo di vita dimostrano che tutti questi miglioramenti di efficienza riducono complessivamente il fabbisogno energetico per ogni chilowattora di produzione di batterie di circa il 18%. Ciò che rende particolarmente vantaggioso questo approccio è che non compromette alcun parametro qualitativo, come la densità dell’elettrodo o l’adesione dei materiali.

Prestazioni del legante VAE: bilanciamento tra stabilità elettrochimica e durata ciclica

Alta ritenzione di capacità (>92% dopo 200 cicli) in semicelle NMC622/Li

I copolimeri VAE mostrano risultati impressionanti, con una ritenzione di capacità superiore al 92% anche dopo 200 cicli di carica-scarica in celle semiprimitive NMC622/Li. Si tratta effettivamente di un miglioramento di circa 8–12 punti percentuali rispetto a quanto normalmente osservato con i materiali leganti tradizionali. Questo incremento prestazionale sembra derivare dalla distribuzione uniforme di tali polimeri e dalla loro adesione salda ma flessibile alle particelle del materiale attivo, contribuendo a mantenere tali particelle interconnesse anziché isolate durante i ripetuti cicli di inserimento ed estrazione del litio. Ciò che distingue realmente i VAE è la loro natura elastica, in grado di assorbire un’espansione e una contrazione volumetrica pari a circa il 7% nei complessi catodi a ossido di nichel-manganese-cobalto, senza compromettere i collegamenti elettrici tra le particelle. Test eseguiti da terze parti confermano queste affermazioni, evidenziando densità energetiche superiori a 720 Wh/L a regime di scarica di 0,5C. A confronto, negli elettrodi NMC622 legati con PVDF standard, le prestazioni diminuiscono tipicamente del 15–20% già entro soli 150 cicli nelle medesime condizioni di prova.

Formazione stabile del SEI e ridotta crescita della resistenza interfaciale confermate tramite spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS)

L'analisi dei risultati della spettroscopia di impedenza elettrochimica rivela un aspetto interessante riguardo agli elettrodi legati con VAE. Questi materiali formano strati estremamente stabili di interfase solido-elettrolita (SEI), nei quali la resistenza all'interfaccia aumenta fino a circa 5 ohm-cm² dopo 100 cicli. Si tratta in effetti di un miglioramento del 40% rispetto a quanto osservato nei sistemi a base di PVDF. Perché ciò accade? Sembra che i gruppi ossidrilici presenti nella VAE svolgano un ruolo fondamentale in questo processo: essi favoriscono una distribuzione più omogenea degli ioni litio e prevengono quei fenomeni di degradazione localizzata nell'elettrolita che possono portare alla formazione di dendriti. Un ulteriore vantaggio deriva dal potenziale di ossidazione più basso della VAE, che si colloca al di sotto di 3,8 V rispetto al litio. Questa caratteristica riduce le reazioni secondarie indesiderate, mantenendo la resistenza al trasferimento di carica inferiore a 25 ohm-cm² anche dopo 300 cicli. Quando i ricercatori esaminano le sezioni trasversali mediante microscopia elettronica a scansione, osservano strati SEI più sottili e più omogenei. E indovinate un po'? Queste osservazioni fisiche corrispondono molto bene ai valori elevati di ritenzione della capacità riscontrati nei test.

Robustezza meccanica e flessibilità del processo degli elettrodi legati con VAE

Eccezionale resistenza alla flessione (>5.000 cicli di flessione) che consente progettazioni di batterie flessibili

I leganti VAE conferiscono a questi materiali un’eccezionale durata. I test dimostrano che gli elettrodi possono essere piegati migliaia di volte — in effetti oltre 5.000 cicli — senza perdere la loro conduttività o staccarsi. Ciò li rende particolarmente adatti per batterie flessibili utilizzate in una vasta gamma di applicazioni: si pensi alla tecnologia indossabile, ai nuovi schermi arrotolabili e persino ai telefoni pieghevoli, nei quali gli elettrodi legati con PVDF tradizionali tendono a creparsi o a perdere il contatto già dopo poche centinaia di piegamenti. Ciò che distingue il VAE è la sua straordinaria tenacità sotto questo tipo di sollecitazione. Il materiale mantiene meglio la propria integrità, consentendo così il mantenimento delle connessioni elettriche anche in caso di ripetute piegature, un aspetto fondamentale per i dispositivi reali che devono flettersi e muoversi nell’uso quotidiano.

L’eliminazione dell’infrastruttura per il recupero del NMP riduce il CAPEX di circa il 35%

L'approccio a base acquosa utilizzato da VAE elimina la necessità di quei sistemi di recupero del NMP che tipicamente rappresentano circa il 35% della spesa sostenuta dalle aziende per la costruzione di impianti di produzione degli elettrodi. E i vantaggi non riguardano soltanto il risparmio economico: si eliminano anche numerosi problemi operativi. Niente più preoccupazioni legate al rispetto delle rigorose normative sulle emissioni di solventi, niente bisogno di costosi impianti a prova di esplosione e certamente molto meno disagio nella manutenzione di complesse unità di distillazione sotto vuoto. Inoltre, poiché l’essiccazione può avvenire a temperature inferiori, i produttori ottengono linee di produzione non solo più compatte nel design, ma anche notevolmente più sicure da gestire. Queste linee possono essere messe in opera più rapidamente, consentendo alle aziende di ampliare le proprie attività con maggiore velocità, mantenendo comunque quell’importante equilibrio tra buona stabilità della sospensione e rivestimenti di altissima qualità.

Implementazione scalabile: affrontare il paradosso resa-peso molecolare di VAE

Ottenere la giusta distribuzione dei pesi molecolari è estremamente importante quando si scala la produzione di copolimeri VAE. Pesi molecolari più elevati migliorano sicuramente le proprietà adesive, ma comportano anche dei costi. Quando le soluzioni diventano troppo viscose, ciò compromette l’omogeneità della sospensione, la coerenza del rivestimento e, in ultima analisi, influisce sul rendimento degli elettrodi. Si tratta di un vero e proprio equilibrio che richiede un controllo accurato durante la sintesi. Se i pesi molecolari scendono troppo, il materiale non possiede una resistenza meccanica sufficiente per mantenere la propria integrità. D’altra parte, viscosità eccessivamente elevate generano numerosi problemi nelle applicazioni a film sottile, causando spesso difetti fastidiosi come pori o agglomerati nel materiale. I leader del settore affrontano questa sfida ottimizzando vari aspetti dei loro processi di polimerizzazione: regolano, ad esempio, la velocità con cui i monomeri vengono immessi nel sistema e le concentrazioni degli iniziatori utilizzati. Questi aggiustamenti consentono di ottenere un intervallo di pesi molecolari più ristretto e bilanciato. Il risultato? Una variazione della viscosità inferiore al 10% durante l’intero ciclo produttivo. Ciò significa che gli elettrodi mantengono uno spessore costante entro circa 1,5 micrometri e che si osservano meno difetti nel prodotto finale. E, francamente, film più puliti si traducono direttamente in rendimenti migliori durante l’assemblaggio delle celle e in una maggiore stabilità complessiva del processo.

Domande Frequenti

Perché i copolimeri VAE sono più convenienti dal punto di vista dei costi rispetto al PVDF?

I copolimeri VAE sono più convenienti dal punto di vista dei costi perché richiedono una quantità minore di polimero per ogni foglio dell'elettrodo e sono a base acquosa, eliminando la necessità di utilizzare il costoso e pericoloso solvente N-metil-2-pirrolidone (NMP).

In che modo i copolimeri VAE influenzano il consumo energetico nella produzione degli elettrodi?

I copolimeri VAE riducono il consumo energetico del 40% rispetto ai tradizionali sistemi a base solvente, grazie a temperature di processo inferiori e all’eliminazione della necessità di apparecchiature per il recupero dell’NMP.

Qual è la ritenzione di capacità dei copolimeri VAE?

I copolimeri VAE mostrano una ritenzione di capacità superiore al 92% dopo 200 cicli di carica-scarica in semicelle NMC622/Li, superando le prestazioni dei tradizionali materiali leganti.

In che modo il VAE migliora la stabilità degli strati dell’interfaccia solido-elettrolita (SEI)?

Il VAE migliora la stabilità formando strati SEI stabili con un incremento inferiore della resistenza interfaciale, grazie ai suoi gruppi ossidrilici e al suo potenziale di ossidazione più basso.