Průkopnické koncepty pro udržitelnou a ekonomickou výrobu bateriových článků

Konzept eines Anlagenpiloten der Fraunhofer FFB in U-Anordnung als Makro-Umfeld Der Schwung, mit dem sich die Batteriespeichertechnologie als einer der vielversprechendsten Ansätze zur Substitution fossiler Brennstoffe entwickelt, ist enorm. Um jedoch die Herstellung von Batteriezellen langfristig nachhaltiger und wirtschaftlicher zu gestalten, sind zusätzliche Einsparpotenziale und Effizienzstrategien im Herstellungsprozess erforderlich, ohne die Standards der Fertigungsumgebungen zu vernachlässigen. Derzeit resultieren in Deutschland bis zu 50 Prozent der Treibhausgasemissionen aus dem für die Produktion von Batteriezellen benötigten Strom, wobei bis zu 43 Prozent des Energiebedarfs auf die Fertigungsumgebung und den Betrieb von Rein- und Trockenräumen entfallen. Das Whitepaper der Münsteraner Forscher beschreibt .© Fraunhofer FFB

Pro změnu směrem k udržitelnější mobilitě jsou výkonné bateriové články klíčovým předpokladem. Základním krokem je vytvořit energeticky úspornou a zdrojově efektivnější výrobní infrastrukturu pro články. Výzkumníci z Fraunhoferova zařízení Forschungsfertigung Batteriezelle FFB nyní ukazují možnosti, jak pomocí takzvaných „Mini- a Makro-Environmentů“ snížit energetické a provozní náklady ve výrobě bateriových článků a tím vytvořit vysoký potenciál pro konkurenceschopnou výrobu baterií v Německu a Evropě. Zjištění jsou shrnuta v nově vydaném whitepaperu „Energeticky efektivní a kvalitativně orientované koncepty zařízení pro výrobu bateriových článků“, který je nyní k dispozici.

Rychlost, s jakou se technologie bateriových uložišť vyvíjí jako jeden z nejperspektivnějších přístupů k nahrazení fosilních paliv, je obrovská. Aby bylo možné dlouhodobě vyrábět bateriové články udržitelněji a ekonomičtěji, je však v výrobním procesu třeba hledat další úsporné potenciály a strategie efektivity, aniž by se porušovaly standardy výrobního prostředí. V současnosti až 50 procent emisí skleníkových plynů v Německu pochází z potřebné spotřeby elektřiny pro výrobu bateriových článků, přičemž až 43 procent energie se spotřebuje na výrobní prostředí a provoz čistících a sušicích místností. Whitepaper od výzkumníků z Münsteru popisuje, jak pomocí různých inovativních konceptů prostředí lze v budoucnu ve výrobě bateriových článků dosáhnout ekonomických a environmentálních úspor, a dále ukazuje praktickou realizaci tohoto konceptu na Fraunhofer FFB.

Výzvy ve výrobě bateriových článků

V jejich oblasti platí lithiem-iontová baterie (LIB) za nejpokročilejší variantu: stacionární systémy pro ukládání energie, spotřebitelská elektronika, ale především elektrifikace mobility tvoří většinu očekávané celkové poptávky. Její růst je hnací silou pro každoroční zvyšování poptávky po LIB v gigawattových hodinách. Rostoucí požadavky na udržitelnost a výkonové vlastnosti baterie, například vyšší energetická hustota pro zvýšení dojezdu elektromobilů, vyžadují také nové materiály článků. S ohledem na plynulou, kvalitní a bezpečnou výrobu bateriových článků však tyto požadavky kladou rozsáhlé nároky na čistotu a suchost prostředí.

Čisté a suché místnosti, tedy hermeticky uzavřené prostory, tyto požadavky splňují. Mají suché klima a velmi nízkou vlhkost vzduchu při rosném bodu minus 60 stupňů – což je teplotní hodnota, při které začíná kondenzace vlhkosti ve vzduchu. Aby bylo sušší než poušť, jsou však zapotřebí obrovské energetické náklady na přípravu velmi suchého vzduchu.

Potenciál nových konceptů prostředí ve výrobě bateriových článků

Pro výrobní prostředí vyvíjí, realizuje a zkoumá Fraunhofer FFB procesně a strojově blízké koncepty uzavřených prostorů ve výrobě, které by měly v budoucnu nahradit energeticky náročné čisté a suché místnosti a představovat výrazně levnější a udržitelnější alternativy.

– „Mini-Environmenty jsou omezené, oddělené výrobní a přepravní jednotky, které zapouzdřují hodnototvorný proces i produkt. Použití „Mini-Environmentů“ je doposud omezeno na laboratoře nebo pilotní měřítko.“
– „Makro-Environmenty spojují a kombinují omezené, oddělené výrobní oblasti, které mohou zahrnovat obsluhu, logistiku, stejně jako stroje a výrobní jednotky.“

O tom hovoří Marius Heller, vědecký pracovník výzkumné skupiny „Sestavování a formování“ v Fraunhofer FFB: „Použití ‚Mini-Environmentů‘ ve výrobě bateriových článků může výrazně zlepšit klíčové parametry. Patří sem výrazně nižší provozní a energetické náklady a ochrana zaměstnanců před potenciálně škodlivými látkami. Pro průmysl může přechod na koncepty Environmentů znamenat krok směrem k ekologické a ekonomické výrobě článků v Evropě.“

Implementace a testování v výrobních linkách Fraunhofer FFB

Výrobci zařízení budou v budoucnu vyzváni k navrhování efektivní a účinné techniky zařízení. Fraunhofer FFB ve svých flexibilních a přizpůsobivých továrnách, „FFB PreFab“ a „FFB Fab“, zavede srovnávací měřítko pro kvalitativně orientovanou a energeticky efektivní techniku zařízení oproti stávajícím technologiím a tím významně přispěje k přenosu pokročilých řešení do průmyslu baterií. K tomu budou mimo jiné využívány okolní čisté a suché místnosti k testování a kvantifikaci výrobních a procesních technologií. Současně bude postupně testováno zavádění konceptů prostředí.

Hasibe Turhan, vědecká pracovnice výzkumné skupiny „Sestavování a formování“ v Fraunhofer FFB: „Očekáváme, že vývoj ve výrobě bateriových článků bude podobný tomu, který již před 30 lety prodělala výroba polovodičů: díky procesně blízké enkapsulaci lze cíleně realizovat proudění vzduchu a dosáhnout vysoké kvality produktu. Celý procesní prostředí bude optimalizováno.“

Na základě sledování trhu a diskuzí s průmyslem očekává Fraunhofer FFB průlom u „Mini-Environmentů“ od pilotního měřítka po sériovou výrobu od roku 2027.

Whitepaper „Energeticky efektivní a kvalitativně orientované koncepty zařízení pro výrobu bateriových článků“ je nyní dostupný ke stažení zdarma.