Vysoce flexibilní, automatizovaná a digitalizovaná výroba Jelly Roll s testovacími možnostmi

Závitové zařízení umožňuje automatizovanou a digitalizovanou výrobu flexibilních želé rolí různých formátů a designů, jejichž kvalita je kontrolována přímo během výroby. (Zdroj obrázku: Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez) / The winding system, which also features an inline quality check, enables the automated and digitized manufacture of jelly rolls in different designs and formats. (Photo credit: Fraunhofer IPA/ photo: Rainer Bez)

Pro kontaktování s svařenými proudovými sběrači umístí robot zářezy na anodu a katodu, které jsou následně spojeny ultrazvukovým svařováním. (Zdroj obrázku: Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez) / For contacting with welded current collectors, a robot places the tabs on the anode and cathode and joins them using an ultrasonic welding device. (Photo credit: Fraunhofer IPA/ photo: Rainer Bez)

Vykružování anody a katody probíhá pomocí integrovaného laserového řezacího systému. Různé možnosti kontaktování lze libovolně kombinovat. (Zdroj obrázku: Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez) / Anoda a katoda jsou vykousnuty pomocí integrovaného laserového řezacího systému. Různé možnosti kontaktování lze kombinovat podle potřeby. (Fotografie: Fraunhofer IPA/ foto: Rainer Bez)

Tepelná akumulační nádrž zajišťuje, že do nepřerušovaného navíjecího procesu je vždy dodáváno dostatečné množství katodového a anodového materiálu. (Zdroj obrázku: Fraunhofer IPA / Fotografie: Rainer Bez) / The buffer ensures that sufficient cathode and anode material is always fed to the continuous winding process. (Photo credit: Fraunhofer IPA / photo: Rainer Bez)

Kvalita válců je v zařízení kontrolována pomocí testu Hi-Pot. Přesnost rozměrů ohybu a polohy sběrače je kontrolována optickou inline inspekcí. Buňky, které nesplňují požadavky, jsou automaticky vyřazeny z výroby. (Zdroj obrázku: Fraunhofer IPA / foto: Rainer Bez)

Baterijní články jsou v elektromobilitě a při jiných použitích klíčovým prvkem energetických uložišť – a také významným nákladovým faktorem. Aby bylo možné výrazně snížit míru odpadu, zvýšit kvalitu a vyvíjet inovativní designy článků, vznikla na Centru pro digitalizovanou výrobu baterijných článků (ZDB) Fraunhofer IPA automatizovaná a digitalizovaná výrobní linka pro válcové baterijní články. Klíčovým prvkem je zařízení pro formátově a designově flexibilní, plně automatickou výrobu navíjecích cívek včetně různých testovacích možností od společnosti acp systems.

Na trakční baterii připadá u elektromobilu přibližně 40 procent nákladů na vozidlo. Nejvíce nákladnou součástí jsou s až 80 procenty baterijní články, přičemž válcové formáty článků si stále více získávají na oblibě. Jejich výroba, která se hrubě dělí na kroky výroby elektrod, navíjení a sestavování, plnění elektrolytem a formování, je mimořádně složitá. Vysoká míra odpadu je proto problémem – při odhadu 10 až 15 procent je v továrně s kapacitou gigawatthodiny ročně mezi 100 a 150 miliony článků. To představuje obrovský potenciál pro snížení nákladů. Dalším bodem pro snižování nákladů jsou inovativní formáty a designy článků u kulatých článků. Aby bylo možné využít všechny možnosti, je nutná úprava a další vývoj výrobních procesů z hlediska ekonomických a ekologických aspektů.

S digitalizovanými, propojenými procesy k vyšší kvalitě

To patří mezi oblasti činnosti Centra pro digitalizovanou výrobu baterijných článků (ZDB), založeného v roce 2018 na Fraunhoferově institutu pro výrobní techniku a automatizaci IPA. „Naším výchozím bodem bylo, že díky automatizaci, digitalizaci a propojení celé hodnotové řetězce ve výrobě prostřednictvím zpětné vazby a senzorických informací lze jednotlivé procesy optimalizovat a odhalit odpad dříve a lépe. To přispívá ke zvýšení kvality článků a k citelnému snížení nákladů,“ uvádí prof. Dr.-Ing. Kai Peter Birke, ředitel pro bateriové a vodíkové systémy a skladování na IPA. V ZDB vznikla kompletní, digitalizovaná a propojená výrobní linka pro výrobu válcových článků pro lithium-iontové a sodíkové iontové baterie. Umožňuje optimalizaci výrobních procesů stávajících a jejich přizpůsobení pro nové formáty článků až do rozměru 46xx a výrobu odpovídajících prototypů v malých sériích do 1 000 kusů.

Flexibilní inline navíjení Jelly Rolls podle formátu a designu

Jedním ze srdcí této výrobní linky je navíjecí zařízení vyvinuté společně s výrobcem strojů a zařízení acp systems pro formátově a designově flexibilní výrobu Jelly Rolls. „O této úloze jsme také jednali s jinými výrobci strojů, ale zjistili jsme, že flexibilita není dostatečná pro naše specifické požadavky a přání, a proto jsme museli iniciovat společný vývoj,“ vzpomíná Kai Peter Birke. Požadavky zahrnovaly jednak to, že stroj musí být schopen inline navíjet Jelly Rolls jak pro velmi malé baterijní články, tak i pro velké. Dále bylo nutné integrovat různé řešení inline kontaktování/vedení proudu (taby), s přivařenými taby, nebo beztabové s laserem řezanými zářezy (notched) a kontinuální bez zářezů (tabless). Podstatné bylo, aby bylo možné libovolně kombinovat kontaktní řešení. Navíc měla linka obsahovat různé testovací možnosti pro kontrolu kvality navíjení a zpracovávat všechny běžné materiály používané u vysokovýkonných kulatých článků.

Modulární koncepce zařízení pro různé výrobní kroky

Byla realizována v modulární koncepci s celkem čtyřmi stanicemi. Navíjecí cívky s anodovou a katodovou fólií jsou v prvním modulu a nejprve se definovaně odvíjejí paralelně vedle sebe. Během celého procesu řídicí systémy zajišťují, že fólie jsou vždy přesně vedeny do správné polohy.

V první stanici probíhá také kontaktování s pájenými proudovými odvodníky. Robot klade taby na anodu a katodu, které jsou následně spojeny ultrazvukovým svářečským hlavicím. Druhý modul obsahuje laserový řezací systém pro notching, kterým lze zpracovávat jak anodu, tak katodu. Dále je integrováno zařízení pro odklon fólií do bočního navíjecího prostoru, aby mohly bezkontaktně přecházet přesně do třetího modulu. Zde jsou umístěny další dvě cívky s oddělovacími fóliemi. Samotný proces navíjení začíná vložením oddělovačů do navíjecího jádra. Po několika otáčkách je vrchní strana anody vložena mezi dva oddělovače. Uchopovač poté posune katodovou fólii do navíjecího jádra. Jakmile je to hotovo, začíná samotný navíjecí proces. V posledním modulu procházejí navíjení nejprve vysokonapěťovým testem, tzv. Hi-Pot testem, který má vyloučit pozdější zkratování v článku. Následuje optická inline inspekce, při níž je kontrolována přesnost geometrie navíjení a umístění proudových odvodníků. Články, které oba testy úspěšně absolvují, jsou umístěny do výrobního nosiče a přiváděny do další fáze výroby. N.i.O. články jsou automaticky vyřazeny. „Díky velmi úzké a otevřené, ale také přímé a jednoduché spolupráci s acp jsme získali stroj, který přesně odpovídá našim představám. Tím jsme vytvořili ideální základnu, kterou dále rozvíjíme vývojem zařízení pro dávkování elektrolytu,“ poznamenává Kai Peter Birke.

Optimální přizpůsobení individuálním požadavkům díky modulárnosti

Výhodou navíjecího zařízení koncipovaného na principu stavebnice je také pro sériovou výrobu válcových baterijních článků. Umožňuje výrobu navíjecích cívek s průměrem až 60 mm a délkou maximálně 110 mm. Rychlost navíjení může dosahovat až 2,5 metru za sekundu. Řešení pro kontaktování a testovací možnosti lze libovolně přizpůsobit specifickým požadavkům podniku. Navíc je možné po procesech, při nichž může vznikat částicový odpad, například při ultrazvukovém svařování a laserovém řezání, prostorově úsporně integrovat další suchý a bez zbytků čištění proces.