Výroba bateriových článků klade vysoké nároky na čistý prostor

Výroba bateriových článků klade vysoké nároky na čistý prostor

Výpadek v hranicích fyziky: Výroba nové generace akumulátorů pro elektromobily umožňuje pouze maximální vlhkost vzduchu 2 procenta

Od přibližně dvaceti let jsou na trhu vozidla s elektrickým pohonem. Že se zatím neprosadila ve větším měřítku, i přes svou energetickou účinnost a ekologičnost, je především kvůli omezenému dojezdu elektromobilů: v dosud dostupných bateriích lze uložit a přenést pouze relativně malou množství energie. Aby elektromobily mohly jezdit i na delší vzdálenosti, musí být energetické články lehčí a odolnější. Volkswagen a Varta Microbattery proto založili společnou výzkumnou společnost, která má zkoumat a zvyšovat výkon lithium-iontových akumulátorů pro použití v vozidlech. Nicméně výroba citlivých bateriových článků klade vysoké nároky na výrobní prostředí. Systemový stavitel Nerling musel jít na hranice fyzikálně možného a vyvinout čistý prostor s konstantní vlhkostí vzduchu maximálně 2 procenta.

?Obvykle je relativní vlhkost pro čisté místnosti mezi 40 a 60 procenty a tím i v komfortní zóně pro člověka?, vysvětluje Olaf Nerling, jednatel společnosti Nerling Systemräume GmbH. V automobilovém průmyslu je však již požadováno 35 procent, aby se zabránilo korozi způsobené vlhkostí ve vzduchu. Při zpracování jemně mletých účinných látek v farmaceutickém průmyslu může být relativní vlhkost dokonce pouze 10 procent. ?Nejvyšší požadavky však přicházejí z oblasti elektrotechniky?, říká Nerling. ?V případě výroby lithium-iontových bateriových článků ve výzkumné společnosti Volkswagen Varta Microbattery je požadována extrémní suchost s hodnotami maximálně 2 procenta relativní vlhkosti.?

Vlhkost při výrobě snižuje výkon baterií

Cílem spolupráce mezi Volkswagenem a Varta Microbattery je zlepšit spolehlivost, životnost a energetickou hustotu baterií pro elektromobily vývojem vlastních lithium-iontových článků. ?Naší vizí je spojit mnoho i menších inovací a učinit z Německa ? především v porovnání s asijským trhem ? mezinárodně konkurenceschopné výrobní místo?, říká prof. Dr. Werner Schreiber, jednatel výzkumné společnosti Volkswagen Varta Microbattery mbH & Co. KG.

Při výrobě takových článků jsou použité suroviny vystaveny vlivům z okolního prostředí. ?Pastové materiály pro elektrody se nanášejí na kovové nosné fólie, následně se suší, kalandrují a stříhají?, vysvětluje Schreiber základní princip výroby. ?Tyto elektrody se pak navíjejí spolu s oddělovačem. Navinutá elektroda tvoří jádro bateriového článku.? Pokud jsou chemikálie při zpracování v kalandru vystaveny vlhkosti, mění své vlastnosti. ?Výrobní prostor musí být proto extrémně suchý, jinak by se kvalita a spolehlivost bateriového článku zhoršily?, říká Schreiber. ?Navíc se životnost baterie zkracuje, pokud byla při výrobě vystavena příliš vysoké vlhkosti vzduchu.?
Adsorpční sušení jako nový postup klimatické techniky

Protože konvenční klimatická technika nedokáže dosáhnout tak nízké vlhkosti vzduchu, Nerling spolu s partnerem použil zatím relativně nový postup adsorpčního sušení. Odvlhčování probíhá pomocí rotoru složeného z vlnovité skleněné struktury obsahující silikagel jako sorpční médium. ?Procesní vzduch je foukán skrze rotor, který odevzdává svou vlhkost sorpčnímu médiu a suchý vzduch pak proudí do čistého prostoru?, vysvětluje jednatel. ?Rotorem se pak v oddělené oblasti přivádí horký vzduch, který opět odstraní sesbíranou vlhkost a vypustí ji do okolního prostředí.?

Další výzvou pro trvalé odvlhčování vzduchu bylo přesné stanovení vlhkosti. ?Zde se dostáváme na hranice fyzikálně možného?, říká Nerling. ?Obvyklé měřicí senzory nedokážou zaznamenat tak nízké hodnoty, jako je 2 procenta relativní vlhkosti a méně.? Senzory vlhkosti by zde měly být schopny detekovat jednotlivé molekuly vody. Proto byla zvolena jiná měřicí technika: vlhkost v čistém prostoru je nyní určována pomocí speciálních snímačů teploty rosného bodu. 2 procenta relativní vlhkosti odpovídají rosné teplotě -30°C. ?S touto alternativní metodou měření lze určit suchost až do rosného bodu -90°C?, říká Nerling. ?V dalším projektu se poprvé pokusíme tímto způsobem dosáhnout relativní vlhkosti pod jedním procentem nebo rosného bodu -60 stupňů.?

Kompletní řešení včetně jeřábu

Čistý prostor o rozměrech 15,5 x 5,6 metru byl sestaven v hale výzkumné společnosti Volkswagen Varta Microbattery v Ellwangenu za výrobních podmínek a připojen přes spojovací dveře k již existujícímu odvlhčovacímu prostoru. Další požadavky zahrnovaly teplotu místnosti 20°C a čistotu podle třídy ISO 8. ?Kromě nákladů hrály důležitou roli také krátké dodací lhůty a dodržování termínů, protože jsme museli přesně dodržet termíny dodávek a instalace dalších výrobních zařízení?, říká Schreiber.

Klíčem k zadání zakázky německému systémovému staviteli byl jeho komplexní know-how ve všech oblastech. Například bylo potřeba 10tunový jeřáb v čistém prostoru, který umožní vyzvednout kalandrovací válec pro revizi. ?Firma Nerling byla jediným dodavatelem, který nám mohl dodat kompletní řešení včetně čistého prostoru, klimatické techniky a jeřábu?, vysvětluje Schreiber. Protože kalandrovací válec má největší rozměry v rámci celého prostoru, musela jeho výška na tomto místě přesáhnout 5,5 metru. Aby se předešlo nevyužitému prostoru nad zbytkem plochy a zbytečným nákladům na klimatizaci, byla výška prostoru z větší části nastavena na 3,3 metru a nad kalandrem byl postaven kopulovitý strop.

Hliníková nosná deska zabraňuje poškození elektrosstatickým nábojům

?Dalším problémem při relativní vlhkosti pouhých 2 procent je, že přes vzduch a běžnou PVC podlahu již nelze odvádět elektrostatické náboje?, vysvětluje Nerling. Pak však hrozí, že při zapnutí řídicího systému stroje dojde ke jiskrovému výboji a zařízení bude poškozeno. Pomocí speciálního odolného podlahového systému s hliníkovou nosnou deskou, který byl vyvinut právě systémovým stavitelem, se dá tomuto zabránit. Tento povrch zajišťuje i při extrémně nízkých vlhkostech odvod nábojů. Také těsnost celého zařízení je klíčová pro udržení konstantní vlhkosti vzduchu. Vnější stěny a okna čistého prostoru jsou proto přesně sladěny, aby se zabránilo vzduchovým mezerám, které by umožnily únik vzduchu do okolní výrobní haly. Jako vstup je zde materiálová a osobní komora, vybavená vzájemně uzamykatelnými dveřmi, aby nemohla proniknout vlhkost. Druhá dveře do vnitřního prostoru se otevírají až po tzv. proplachu, tedy když klimatizace odstranila vlhkost.

V této výrobní prostředí přizpůsobené speciálním požadavkům již probíhají výzkumy společného podniku na optimalizaci chemie bateriových článků a výrobní metodiky. Společný projekt Volkswagenu a Varta Microbattery je zatím plánován na čtyři roky a během této doby je podporován Spolkovým ministerstvem hospodářství a technologií. ?Pokud bude zájem o elektromobilitu v naší společnosti nadále růst a pilotní projekt bude úspěšný, plánujeme vybudovat velký závod na sériovou výrobu takových bateriových článků pro elektromobily?, říká Schreiber s pohledem do budoucnosti.

Obrázek: Nerling Systemräume GmbH