To hranaté musí být kulaté

Morfolická charakteristika pevného elektrolytu a kompozitní katody. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Festkörper-Elektrolyt nach der Beschichtung über den Stromableiter. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Baterie s co největším možným množstvím energie jsou především pro elektromobily žádané. Fraunhofer IPA pracuje na pevnolátkových bateriích, které mají s 700 watthodinami na kilogram téměř dvojnásobnou energetickou hustotu než dnešní lithium-iontové baterie. Digitální dvojčata mají pomoci odstranit stávající překážky pro masovou výrobu.

V rámci Fraunhoferova ústavu pro výrobní techniku a automatizaci IPA se zaměřují na technologie, u nichž se zdá možné škálovat z laboratorního vzorku na průmyslovou velkovýrobu. Klíčové je, že se nové baterie s určitými modifikacemi dají vyrábět i na stávajících zařízeních. Jako finální produkt by měly být vyráběny válcové články ve standardním formátu 21700, které mají průměr 21 milimetrů a délku 70 milimetrů.

Výrobci, jako je například VARTA AG, projektový partner Fraunhofer IPA v oblasti výzkumu baterií, se záměrně zaměřili na tyto válcové články. Jednotlivé takové články se dají snáze kontrolovat v bateriovém modulu a při případné poruše je lze vyměnit. Mezi články v mezerách může být odváděno teplo. Často jsou tyto články po vyřazení z automobilové baterie dále využívány jako zdroje energie v jiných aplikacích. Standardizované válcové články to usnadňují.

Problémy s rozstřikovaným materiálem

Pevnolátkové články neobsahují na rozdíl od lithium-iontových baterií kapalinu jako elektrolyt, ale keramický nebo sulfidický, tedy obsahující síru, pevný elektrolyt. Také polymerové elektrolyty jsou možností, avšak vyžadují vyšší provozní teploty přes 60 stupňů Celsia. Články jsou dnes většinou konstruovány jako ploché, obdélníkové pouchové články. Aktuální vývoj v oblasti keramických pevnolátkových elektrolytů v rámci Fraunhofer IPA směřuje k urychlení sintračního procesu keramického materiálu a již v tomto kroku k výrobě požadované geometrie pro pozdější použití v baterii. Rozstřik materiálu však činí následné zpracování a navíjení do válcového článku obtížným.

Sulfidické pevné elektrolyty mají výhodu pro použití ve válcových článcích. Při správném zpracování lze vytvořit flexibilní vrstvy, které jsou stabilní i při malých průměrech navíjení. Navíc rodina Thio-LISICON-sulfid, anorganických elektrolytů, vykazuje slibné výsledky v oblasti ionické vodivosti při nízkých teplotách. Přestože sulfidické elektrolyty mají vynikající ionickou vodivost a mohly by konkurovat organickým kapalným elektrolytům, jsou momentálně mnohem dražší. Výstavbou odpovídajících výrobních kapacit je však možné dosáhnout nákladově efektivní výroby sulfidových elektrolytů.

Do průmyslové výroby pevnolátkových baterií je ještě dlouhá cesta. V současnosti jsou pevnolátkové baterie většinou konstruovány s lithiem jako anodu, což přináší speciální výzvy pro montážní prostředí. Aby materiál nereagoval s kyslíkem nebo vlhkostí ze vzduchu, je kromě nákladného suchého prostředí někdy nutné i další uzavřené výrobní prostory s ochranným plynem, například argonem. Výzkumníci z Fraunhofer IPA proto zkoumají, jak lze pevnolátkové baterie vyrábět za mírných podmínek. »Perspektivní přístup je in-situ depozice lithného kovu. Při ní lithium-ionty obsažené v katodě při prvním nabíjení vytvoří vrstvu na vodiči záporné elektrody«, říká Duygu Kaus z Centra pro digitalizovanou výrobu bateriových článků (ZDB). Experimenty mají ukázat, jaké materiály vodiče jsou nejlepší pro in-situ tvorbu anody.

Digitální dvojče pomáhá při vývoji bateriových článků a optimalizaci výroby

Pro zjištění, které parametry jsou při výrobě nejvhodnější, je dosud nutné provádět rozsáhlé experimenty – a to nejen v laboratoři, ale i za podmínek průmyslové výroby, které jsou škálovatelné. Spotřeba materiálu by byla značná a jakákoli modifikace by ovlivnila další kroky v procesu.

»Elegantnější řešení je digitální dvojče. Pomáhá zaměstnanci ve výrobě díky svým schopnostem sledování, analýzy a předpovědi«, říká Soumya Singh z ZDB. Digitální dvojče je virtuální zobrazení jednotlivých kroků procesu nebo celé výrobní linky, které je průběžně doplňováno o další provozní data. Digitální dvojče pomáhá inženýrům simulovat budoucí chování výroby při různých parametrizacích a předem hodnotit jejich dopady. Díky rozsáhlým datovým zdrojům z výroby dělá digitální dvojče předpovědi o efektivitě jednotlivých kroků procesu, ale i o dopadech různých parametrů zpracování na kvalitu mezivýrobků, dobu procesu a jeho stabilitu. Například na počítači obsluhy lze pomocí digitálního dvojčete určit, jak by měly vypadat výrobní kroky pro elektrodu, aby byla na konci dostatečně elastická pro navíjení.

Po implementaci je digitální dvojče synchronizováno s výrobním krokem a je průběžně aktualizováno aktuálními daty z výroby. Nyní sleduje, jak stabilní je výroba, a stává se nedílnou součástí řízení jakosti.