Digitalizovaná a udržitelná výroba bateriových článků

Inovatívní platforma pro výzkum a vývoj: navíjecí systém s flexibilními formáty a designem. © Fraunhofer IPA/Rainer Bez

Jelly Rolls a cylindrické bateriové články vyrobené ve Fraunhofer IPA (kruhová buňka 21700 v beztabulkovém nepřerušeném designu). © Fraunhofer IPA/Rainer Bez / Jelly rolls a cylindrické bateriové články vyrobené ve Fraunhofer IPA (kruhová buňka 21700 v beztabulkovém nepřerušeném designu). © Fraunhofer IPA/Rainer Bez

Formátová a designová flexibilita u válcových baterií (kulových článků). © Fraunhofer IPA / Flexibilita formátu a designu pro válcové baterie (kulové články). © Fraunhofer IPA

Další vývoj stávajících systémů skladování je klíčovým předpokladem pro energetickou transformaci. Centrum digitalizované výroby bateriových článků (ZDB) při Fraunhoferově institutu pro výrobní technologie a automatizaci IPA ve spolupráci s acp systems AG uvedlo do provozu flexibilní navíjecí zařízení pro válcové bateriové články. Slouží jako inovativní výzkumná a výrobní platforma pro testování nových formátů a komponent článků, stejně jako designu tabulky. Umožňuje vývoj velkých článků pro budoucí bateriové technologie. Navíjecí zařízení je jedinečné na světě a je začleněno do automatizované a digitalizované infrastruktury pro výrobu bateriových článků.

Baterie pro elektromobily se skládají z několika modulů, ve kterých je zabudováno mnoho bateriových článků. Ty jsou srdcem každé baterie a také tvoří největší část přidané hodnoty. V posledních letech se válcové bateriové články staly stále populárnějšími v automobilovém průmyslu, přičemž trend směřuje k větším formátům článků. ZDB Fraunhofer IPA ve spolupráci s acp systems AG vyvinulo, postavilo a nyní uvedlo do provozu navíjecí zařízení pro válcové bateriové články, nazývané také kulové články. Slouží jako všestranná výzkumná a výrobní platforma pro testování nových formátů článků, designu tabulky a pokročilých metod zvyšování kvality a optimalizace procesů v krátkém čase. Nové navíjecí zařízení doplňuje jedinečnou evropskou výrobní linku pro kompletní montáž bateriových článků pro lithium-iontové i budoucí bateriové technologie, například sodíkové-iontové baterie. Výjimečnost výrobní linky spočívá v digitalizaci a propojení všech kroků procesu – od nanášení povlaku, navíjení, sestavení a plnění až po formování. Ministerstvo hospodářství, práce a turistiky Bádenska-Württemberska financovalo výstavbu a instalaci navíjecího zařízení.

»Na ZDB můžeme pokrýt všechny kroky procesu výroby bateriového článku. Proces navíjení je jedním z klíčových procesů výroby, přičemž navíjení je srdcem bateriového článku. S novým navíjecím zařízením jsme nyní uzavřeli mezeru v celém digitalizovaném výrobním řetězci, takže je linka kompletní«, říká Julian Grimm, vedoucí výzkumného týmu v Fraunhofer IPA a zástupce vedoucího centra ZDB.

Elektrody a separator jsou navíjeny do Jelly Roll

Na přípravu jednoho článku je potřeba přibližně deset kroků. Při procesu navíjení jsou pozitivní a negativní elektrody spolu se dvěma separátory navíjeny do svazku, nazývaného Jelly Roll. Následuje sestavení, při kterém je Jelly Roll přesně veden. Poté je navíjení svazku spojeno s víčkem, které je svařeno přes středový otvor navíjení pomocí středové elektrody.

Ale nové navíjecí zařízení pro válcové bateriové články není jen výrobní platformou pro Jelly Rolls, ale také slouží jako výzkumná platforma pro vývoj inovativních systémů a formátů článků a jejich testování kvality. »Hlavní předností našeho zařízení je jeho flexibilita. Díky němu dokážeme realizovat různé formáty článků v různých velikostech a designu tabulky, například bezšroubové designy bez připojeného tabulky. Tab, tenký odvodní prvek na anodě a katodě, kterým musí proudit proud, je v velkých článcích úzkým místem«, vysvětluje vědec. U kulových článků trend směřuje k větším formátům, které jsou větší jak průměrem, tak výškou. Navíjení a kulové články jsou tedy větší. Problém spočívá v tom, že čím větší jsou články, tím obtížnější je odvádět proud a teplo. »Na tuto výzvu můžeme reagovat individuálními designy tabulek, například u bezšroubového designu slouží nosná fólie z hliníku a mědi jako vodič proudu a tepla a umožňuje vyšší odvod tepla než klasický tab«, vysvětluje Grimm. Inovativní návrhy článků zajišťují homogenitu u válcových článků a umožňují tak velké formáty. Díky větším článkům s více aktivním materiálem lze dosáhnout vyšší energetické hustoty a tím i delší dojezdu elektromobilů.

Sbíraná data jsou přiřazena k bateriovým článkům

Pro minimalizaci odpadu a zvýšení kvality je celý výrobní proces digitalizován a propojen. Senzory sbírají data, která se v reálném čase shromažďují v cloudu. Technologie sledovatelnosti vyvinuté v Fraunhofer IPA umožňují přiřadit shromážděná data ke konkrétním vyrobeným bateriovým článkům. Každý vyrobený bateriový článek je připraven pro analýzu dat a trénink umělé inteligence. Díky tomu je možné sledovat, za jakých podmínek byl vyroben a jak souvisí s dosaženou kvalitou produktu. Data jsou využívána pro vývoj služeb s monitorovacími, analytickými a predikčními schopnostmi. To umožňuje zlepšit výrobní proces a odhalit chyby rychleji než dříve.

»Inovativní návrhy článků vyžadují přepracování a optimalizaci výrobních procesů, které lze zkoumat na navíjecím zařízení. Kombinace inovativního návrhu článků a agilních výrobních přístupů je klíčem k naplnění požadavků rychle se měnícího energetického prostředí, umožnění rychlejšího zavádění nových řešení na trh a otevření cesty k udržitelným, kvalitním bateriovým technologiím«, shrnuje Grimm. Výrobci a uživatelé elektrod, separatorů a článků mají také možnost testovat své prototypy, produkty, komponenty, materiály a designy přímo na zařízení.