Fabricación de rollos de gel altamente flexible, automatizada y digitalizada con opciones de prueba

El sistema de bobinado, que también cuenta con una inspección de calidad en línea, permite la fabricación automatizada y digitalizada de rollos de gelatina en diferentes diseños y formatos. (Crédito de la foto: Fraunhofer IPA / foto: Rainer Bez)

Para la conexión con colectores de corriente soldados, un robot coloca las pestañas en el ánodo y el cátodo y las une mediante un dispositivo de soldadura ultrasónica. (Crédito de la foto: Fraunhofer IPA / foto: Rainer Bez)

El ranurado del ánodo y del cátodo se realiza con un sistema de corte láser integrado. Las diferentes opciones de contacto pueden combinarse según sea necesario. (Fuente de la imagen: Fraunhofer IPA / Foto: Rainer Bez)

El depósito de acumulación garantiza que siempre se suministre suficiente material de cátodo y ánodo al proceso de bobinado continuo. (Fuente de la imagen: Fraunhofer IPA / Foto: 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)

La calidad de los bobinados se controla en la planta mediante una prueba de hi-pot. La precisión dimensional de la geometría del bobinado y la posición del colector de corriente se verifica mediante una inspección óptica en línea. Las celdas que no cumplen con los estándares se separan automáticamente de la línea. (Crédito de la foto: Fraunhofer IPA / foto: Rainer Bez)

Las celdas de batería son el elemento decisivo en la movilidad eléctrica y en otras aplicaciones de almacenamiento de energía, además de ser un factor clave en los costes. Para reducir significativamente las tasas de rechazo, aumentar la calidad y desarrollar diseños innovadores de celdas, en el Centro para la Producción Digitalizada de Celdas de Batería (ZDB) del Fraunhofer IPA se creó una línea de fabricación automatizada y digitalizada para celdas cilíndricas de batería. Un elemento central de esta línea es la instalación para la fabricación totalmente automática, flexible en formato y diseño, de bobinas, incluyendo varias opciones de prueba de acp systems.

En un coche eléctrico, la batería de tracción representa aproximadamente el 40 por ciento del coste del vehículo. La componente más costosa son, con hasta un 80 por ciento, las celdas de batería, siendo cada vez más popular la forma cilíndrica. Su producción, que se divide en los pasos de fabricación de electrodos, enrollado y ensamblaje, llenado de electrolito y formateo, es sumamente compleja. Por ello, las altas tasas de rechazo constituyen un problema: en una fábrica de un gigavatio hora, con una tasa conservadora del 10 al 15 por ciento, se producen entre 100 y 150 millones de celdas al año. Aquí hay un enorme potencial para reducir costes. Otro enfoque para disminuir costes son los formatos y diseños innovadores de celdas cilíndricas. Para aprovechar estas posibilidades, es necesario adaptar y desarrollar aún más los procesos de fabricación bajo aspectos económicos y ecológicos.

Con procesos digitalizados y conectados, hacia una mayor calidad

Esta es una de las tareas del Centro para la Producción Digitalizada de Celdas de Batería (ZDB), fundado en 2018, en el Instituto Fraunhofer para la Tecnología de Producción y Automatización IPA. “Nuestro punto de partida fue que, mediante la automatización, digitalización y conexión de toda la cadena de valor en la producción, a través de retroalimentaciones e información sensorial, se pueden optimizar procesos individuales y detectar rechazos de forma más temprana y precisa. Esto contribuye a incrementar significativamente la calidad de las celdas y a reducir costes de forma perceptible”, explica el Prof. Dr.-Ing. Kai Peter Birke, director de sistemas de baterías e hidrógeno y almacenamiento en el IPA. Para ello, en el ZDB se creó una cadena de producción completa, digitalizada y conectada, para la fabricación de celdas cilíndricas para baterías de iones de litio y sodio. Permite optimizar los procesos de fabricación existentes y adaptarlos a nuevos formatos de celdas hasta 46xx, así como producir prototipos en series pequeñas de hasta 1.000 unidades.

Enrollado en línea flexible en formato y diseño de Jelly Rolls

Una pieza clave de esta línea de fabricación es la máquina de enrollado desarrollada conjuntamente con el fabricante de máquinas y equipos acp systems, para la fabricación flexible en formato y diseño de Jelly Rolls. “Hablamos también con otros fabricantes de equipos sobre esta tarea, pero constatamos que la flexibilidad no era suficiente para responder a nuestros requisitos específicos y deseos, ni para iniciar un desarrollo conjunto”, recuerda Kai Peter Birke. Los requisitos incluían, por un lado, que la máquina pudiera enrollar en línea Jelly Rolls para celdas muy pequeñas así como para muy grandes. Por otro lado, debían integrarse diferentes soluciones para el contacto en línea y la derivación de corriente (tabs), con tabs soldados, así como en diseños sin tabs con muescas (láser) y sin muescas continuos (sin láser). Lo importante era que las soluciones de contacto pudieran combinarse de forma flexible. Además, la línea debía incluir varias opciones de prueba para el control de calidad del enrollado y poder procesar todos los materiales habituales en celdas cilíndricas de alto rendimiento.

Concepto modular de la línea para las diferentes etapas del proceso

Se implementó en un concepto modular con un total de cuatro estaciones. Las bobinas con la lámina de ánodo y cátodo se colocan en el primer módulo y se desenrollan inicialmente en paralelo, uno al lado del otro. Durante todo el proceso, controles en los bordes de las bandas aseguran que las láminas se guíen siempre con precisión en su posición.

En la primera estación también se realiza el contacto mediante conductores soldados. Para ello, un robot coloca los tabs sobre el ánodo y el cátodo, que luego se conectan mediante una cabeza de soldadura por ultrasonidos. El segundo módulo incluye un sistema de corte láser para el notching, que puede trabajar tanto en el ánodo como en el cátodo. Además, se integra un dispositivo de desviación que desplaza las bandas de lámina lateralmente a la superficie de enrollado, de modo que pasen sin contacto una sobre otra hacia el tercer módulo. Aquí se encuentran otras dos bobinas con las láminas separadoras. El proceso de enrollado comienza insertando los separadores en el núcleo de enrollado. Tras algunas vueltas, la lámina de ánodo se desliza desde arriba entre los dos separadores. Luego, un agarre empuja la lámina de cátodo dentro del núcleo de enrollado. Una vez hecho esto, comienza el proceso de enrollado. En el último módulo, las bobinas pasan primero por una prueba de alta tensión, conocida como prueba Hi-Pot, para descartar cortocircuitos posteriores en la celda. A continuación, se realiza una inspección óptica en línea para verificar la geometría del enrollado y la posición de los conductores. Las celdas que superan ambas pruebas se colocan en un portaceldas y se envían a la siguiente fase de fabricación. Las celdas defectuosas se separan automáticamente. “Gracias a la colaboración tanto muy estrecha, abierta y directa con acp, hemos obtenido una máquina que cumple exactamente con nuestras expectativas. Así, hemos creado una base óptima que continuaremos desarrollando con una línea para la dosificación de electrolito”, comenta Kai Peter Birke.

Adaptación óptima a requisitos individuales mediante modularidad

La línea de enrollado, diseñada según el principio de módulos, también ofrece ventajas para la producción en serie de celdas cilíndricas. Permite fabricar bobinas de hasta 60 mm de diámetro y una longitud máxima de 110 mm. La velocidad de enrollado puede alcanzar hasta 2,5 metros por segundo. Las soluciones para el contacto y las opciones de prueba pueden adaptarse libremente a los requisitos específicos de cada empresa. Además, tras pasos de proceso en los que pueden generarse partículas, como el soldado por ultrasonidos y el corte láser, se puede integrar de forma compacta un proceso adicional de limpieza seca y sin residuos.