Kvalitní ofenzíva pro lepší baterie

S novými metodami z AQua lze kvalitu elektrodového povlaku automaticky zkontrolovat. (Fotografie: Irina Westermann, KIT) / With new methods from AQua, the quality of the electrode coating can be checked automatically. (Photo: Irina Westermann, KIT)

Výroba elektrody ve laboratoři. Poloprofesionální výrobní linky zajišťují flexibilní výrobu. (Foto: Markus Breig, KIT) / Výroba vrstvy elektrod v laboratoři. Poloprofesionální výrobní linky zajišťují flexibilní výrobu. (Foto: Markus Breig, KIT)

Výkonný, odolný a bezpečný: S těmito vlastnostmi a výhodnou cenou by baterie „Vyrobeno v Německu“ brzy mohly patřit ke světové špičce. To mají umožnit mimo jiné pokročilé přístupy k zajištění kvality a analytice při výrobě, které jsou nyní vyvíjeny a testovány na Karlsruher Institutu für Technologie (KIT). Práce v bateriovém výzkumném clusteru AQua probíhá v úzké spolupráci s výzkumnými partnery v rámci „Výzkumné továrny na baterie“, kterou iniciovalo Spolkové ministerstvo vzdělávání a výzkumu (BMBF).

Chceme zajistit vysokou kvalitu při co nejnižších nákladech – to je cílem vědců a vědkyň v nové výzkumné platformě, která byla na KIT spuštěna jako součást bateriového kompetenčního clusteru AQua (zkratka pro: Analytika / Zajištění kvality). Nejprve zkoumají každý výrobní krok, od vstupních materiálů po hotovou buňku, aby identifikovali možné zdroje chyb. Následně by měl být přístup k řešení chyb při průběžné výrobě optimalizován a automatizován tak, aby byla zajištěna stálá vysoká kvalita. „U výroby musí každý krok fungovat správně. Všechno je vzájemně sladěno a každá chyba může ovlivnit pozdější výkon buněk,“ říká profesor Helmut Ehrenberg z Institutu pro aplikované materiály (IAM-ESS) na KIT, který koordinuje výzkumné práce. „Výkonnost analytiky a zajištění kvality má proto zásadní vliv na kvalitu, bezpečnost a náklady na buňku.“ Jejich řešení vyvíjejí výzkumníci pomocí metod integrované kontroly výroby a implementují je do celého výrobního řetězce.

Výzkum automatického rozpoznávání chyb

Pro co nejranější odhalení kritických chyb ve výrobním procesu a jejich správnou interpretaci spolupracují vědci a vědkyně v projektech AQua mimo jiné podle principu Failure Mode and Effects Analysis (FMEA). „V tomto procesu cíleně a kontrolovaně zavádíme chyby, abychom přesně kvantifikovali souvislost mezi poruchou a jejím dopadem na buňky,“ vysvětluje Dr. Lea de Biasi, jedna z výzkumnic v projektu. „Když nyní stanovíme specifická kritéria výkonu jako cíle kvality, můžeme pro všechny relevantní výrobní kroky stanovit tolerance.“ Tyto tolerance jsou pak přímo používány ve výrobním procesu. K tomu AQua vyvíjí také metody, které umožní sledovat kritické vlivy – například homogenitu elektrody nebo zbytkovou vlhkost komponent na začátku výroby článku – v reálném čase. Při automatickém rozpoznávání chyb jsou mezivýrobky ihned po příslušném kroku kontrolovány stroji a vadné kusy jsou vyřazeny. „Tímto způsobem je možné také zpětně určit příčinu chyby,“ říká de Biasi. „Tak můžeme včas odstranit výrobní poruchy a předejít dalším nákladům na odpad.“

Datová infrastruktura pro rychlý přenos výzkumu

Novou výzkumnou platformu doplňuje doprovodný projekt, který na KIT koordinuje Dr. Michael Selzer z Institutu pro aplikované materiály – Computational Materials Science (IAM-CMS). Tato iniciativa se zaměřuje mimo jiné na výměnu platformy s ostatními bateriovými kompetenčními clustery „Výzkumné továrny na baterie“ a na spolupráci s průmyslem. Hlavním cílem je však vybudování datové infrastruktury: „Při experimentech a velkoplošných simulacích v projektu AQua získáváme velké množství dat, která je třeba analyzovat pomocí specifických metod datové analýzy prostřednictvím standardizovaných pracovních postupů,“ říká Selzer. „S datovou infrastrukturou vytváříme udržitelný přístup k těmto výzkumným datům a analytickým nástrojům.“ To je podle profesorky Britty Nestler z IAM-CMS, která projekt významně podporuje jako expertka na mikrostrukturní simulace, klíčový příspěvek ke zajištění kvality a také k přenosu výzkumu v oblasti výroby baterií. „Chceme v AQua vypracovat komplexní a přeshraniční porozumění tomu, jak vzájemné působení materiálů, výrobních kroků a elektrochemických zvláštností ovlivňuje struktury a vlastnosti baterie.“