Sestava bateriových článků – digitálně a bezpečně

Sestava bateriových článků s chytrým výrobním nosičem pro digitalizovanou výrobu. © Fraunhofer IPA/foto: Rainer Bez

Jádrem každého elektromobilu je baterie. Měla by být kompaktní a co nejvýkonnější – a především bezpečná. To klade velké nároky na výrobu. Jak by mohla vypadat v budoucnu, ukazují vědkyně a vědci z Fraunhofer IPA v Centru pro digitalizovanou výrobu bateriových článků (ZDB).

Moderní bateriový systém spojuje několik bateriových modulů, ve kterých je zabudováno mnoho bateriových článků. V závislosti na výrobci mají tyto články různý formát. Pilotní zařízení v ZDB při Fraunhoferově ústavu pro výrobní techniku a automatizaci IPA ve Stuttgartu je navrženo pro válcové formáty článků.

Uvnitř bateriového článku se nacházejí elektrody. Sestávají z tenkých potažených fólií, které jsou spolu s separatorem stočeny do svitku, tzv. „Jelly Roll“. I malá vada nebo prachová částečka, která se dostane dovnitř, může výrazně oslabit výkon nebo dokonce způsobit zkrat a tím i požár. Proto vzniklo ve Fraunhofer IPA, za podpory financování spolkové země Bádensko-Württembersko, laboratoř s speciálními podmínkami pro čištění a sušení. Je vybavena technologií umožňující kompletní sestavení bateriových článků. Výjimečné je na tom digitalizace a propojení všech kroků procesu. Díky tomu mají vědkyně a vědci k dispozici v Evropě unikátní výrobní linku, která jim umožňuje podporovat jak potenciální výrobce článků, tak strojaře a inženýry při vývoji a automatizaci procesů, stejně jako při optimalizaci montáže s ohledem na spolehlivost a průchodnost. Spektrum sahá od analýzy a zkoumání kritických kroků procesu přes použití digitálních nástrojů až po vývoj prototypů.

Monitoring procesu pro optimální řešení

Na zhotovení jednoho článku je potřeba asi deset kroků, a každý z nich je klíčový pro jeho kvalitu i pro celkový systém baterie. Na začátku je nanesení vrstvy na pozitivní a negativní elektrodu, které se poté spolu s separatorem stočí do svitku, tzv. „Jelly Roll“. Následuje sestavení, tzv. montáž. K tomu je třeba, aby Jelly Roll byl veden s vysokou přesností a co nejméně se dotýkal stěny kelímku. Poté je svitek pomocí středové elektrody, vložené přes otvor uprostřed svitku, svařen ke dnu kelímku. Aby se zabránilo posunu nebo uvolnění svitku, je na definovaném místě vložena speciální zářez, kruhová prohlubeň určitého tvaru a hloubky.

Následující krok, plnění tekutým elektrolytem, je obzvlášť citlivý a vyžaduje prostředí bez kyslíku a s co nejnižší vlhkostí. Potřebné zařízení je proto umístěno v hermeticky uzavřeném boxu, tzv. „Gloveboxu“, ve kterém lze manipulovat s rukavicemi zvenku. „U procesu probíhajícího za argonové atmosféry musí být přesně a bez přetékání naplněna definovaná množství tekutého elektrolytu, protože to ovlivňuje výkon a životnost článku,“ vysvětluje Matthias Burgard z Fraunhofer IPA. To je obzvlášť složité, protože kapalina proniká do porézních prostor jen pomalu.

Na závěr je vložen krycí prvek s definovanou přítlačnou silou, který je fixován deformací okraje kelímku a tím uzavírá článek. Vzhledem k požadované spolehlivosti procesů by na povrchu neměl být žádný bezpečnostně kritický elektrolyt, přesto je sestavený článek před dokončením ještě vyčištěn. Nakonec následuje obalování ochranným hadicovým krytem a označení.

Znalosti shromážděné v cloudu z výrobních dat – vzniká nová znalost

Aby se minimalizovala zmetkovost a zvýšila kvalita, digitalizovali a propojili vědkyně a vědci z Fraunhofer IPA celý výrobní proces. Výroba je takřka „skleněná“. K tomu slouží řada senzorů na všech zařízeních, která sbírají data v reálném čase do cloudu. Technologie sledovatelnosti vyvinuté ve Fraunhofer IPA umožňují přiřadit shromážděná data ke konkrétním bateriovým článkům. Hlavní výhodou je, že každý vyrobený článek má digitální dvojče, které slouží k analýzám dat a tréninku umělé inteligence. Díky tomu lze zpětně sledovat, za jakých podmínek byl vyroben a jak souvisí s dosaženou kvalitou produktu. Vědkyně jako Soumya Singh koordinují tato data a využívají je k vývoji služeb s monitorovacími, analytickými a predikčními schopnostmi. To umožňuje stále lepší optimalizaci výrobního procesu a rychlejší odstraňování chyb.

Kromě toho data získaná během výroby pomáhají také při tvorbě lepších predikčních modelů stárnutí bateriových článků při používání, hodnocení dalších možností využití použitých bateriových článků a zlepšování efektivity recyklačních procesů. Další přístupy k digitalizaci a datově řízené optimalizaci výroby baterií jsou v současnosti shrnuty ve knize „Handbook on Smart Battery Cell Manufacturing“. Měla by být vydána ještě letos.