Montaje de celdas de batería – digital y seguro

Ensamblaje de celdas de batería con un portador de piezas inteligente para la producción digitalizada. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

La pieza central de cada coche eléctrico es la batería. Debe ser compacta y lo más potente posible, y sobre todo segura. Esto plantea grandes desafíos para su producción. Cómo podrían ser en el futuro, lo muestran investigadores del Fraunhofer IPA en el Centro de Producción Digitalizada de Celdas de Batería (ZDB).

Un sistema de baterías moderno combina varios módulos de batería, en los que se instalan una gran cantidad de celdas de batería. Dependiendo del fabricante, estas celdas tienen diferentes formatos. La planta piloto en el ZDB del Instituto Fraunhofer para Tecnología de Producción y Automatización IPA en Stuttgart está diseñada para formatos cilíndricos de celdas.

En el interior de una celda de batería se encuentran los electrodos. Están compuestos por láminas delgadas recubiertas, que junto con un separador se enrollan en un bobinado, conocido como «Jelly Roll». Incluso un pequeño defecto o una mota de polvo que entre en el interior puede reducir significativamente la capacidad o incluso provocar un cortocircuito y, por tanto, un incendio. Por ello, en el Fraunhofer IPA se creó un laboratorio con condiciones especiales de salas limpias y secas, apoyado por fondos del estado de Baden-Württemberg. Está equipado con tecnología que permite el montaje completo de celdas de batería. Lo especial es la digitalización y la interconexión de todos los pasos del proceso. Esto proporciona a los investigadores una línea de producción única en Europa, que les permite apoyar tanto a los fabricantes potenciales de celdas como a los constructores de máquinas y equipos en el desarrollo y automatización de procesos, así como en la optimización del montaje en términos de fiabilidad y rendimiento. El espectro abarca desde el análisis y estudio de pasos críticos del proceso, hasta la aplicación de herramientas digitales y la construcción de prototipos.

Supervisión del proceso para una solución óptima

Se necesitan aproximadamente una docena de pasos de trabajo para que una celda esté lista para su uso, y cada uno de estos pasos es crucial para su calidad y para la del sistema de baterías en su conjunto. Al principio, se recubre el electrodo positivo y negativo, que luego se enrolla junto con un separador en un bobinado, conocido como «Jelly Roll». A continuación, se realiza el ensamblaje, que debe hacerse con alta precisión y, preferiblemente, sin tocar las paredes del vaso. Después, mediante un electrodo de varilla introducido a través del agujero central del bobinado, se suelda el bobinado con el fondo del vaso. Para evitar que el bobinado se desplace o se suelte, en un lugar definido se trabaja una protuberancia en forma y profundidad determinada, una hendidura circular.

El siguiente paso, el llenado con electrolito líquido, es especialmente delicado y requiere un entorno sin oxígeno y con la menor humedad posible. Por ello, los dispositivos necesarios se colocan en una caja hermética, llamada «Glovebox», en la que se puede manipular desde fuera con guantes integrados. «En el proceso que se realiza bajo atmósfera de argón, debe llenarse con precisión una cantidad definida de electrolito líquido, sin que se derrame, ya que esto afecta la capacidad y la vida útil de la celda», explica Matthias Burgard del Fraunhofer IPA. Esto es aún más difícil porque el líquido se infiltra lentamente, debido a que los poros son estrechos.

Finalmente, se coloca un elemento de tapa con una fuerza de ajuste definida, que se fija mediante una deformación del borde del vaso, cerrando así la celda. Debido a la fiabilidad requerida en los procesos, no debe quedar electrolito crítico en la superficie exterior, pero antes de completar la fabricación, la celda montada se limpia. Para terminar, se recubre con una funda protectora y se etiqueta.

Conocimiento a partir de datos de producción que convergen en la nube – surge nuevo conocimiento

Para minimizar los desechos y aumentar la calidad, investigadores como Florian Maier y Ozan Yesilyurt del Fraunhofer IPA digitalizaron y conectaron todo el proceso de producción. La producción se vuelve, en cierto modo, transparente. Para ello, numerosos sensores en todos los equipos recopilan datos que se transmiten en tiempo real a la nube. Las tecnologías de trazabilidad desarrolladas en el Fraunhofer IPA permiten que los datos recopilados puedan asignarse a las celdas de batería producidas. La clave: cada celda de batería fabricada se presenta como un gemelo digital para análisis de datos y entrenamiento de inteligencia artificial. De este modo, se puede rastrear bajo qué condiciones se fabricó y cómo se relaciona con la calidad del producto final. Investigadoras como Soumya Singh orquestan estos datos y los utilizan para desarrollar servicios con capacidades de supervisión, análisis y predicción. Esto hace posible seguir optimizando continuamente el proceso de producción y detectar errores más rápidamente que antes.

Además, los datos recopilados en la producción ayudan a desarrollar mejores modelos de predicción sobre el comportamiento de envejecimiento de las celdas de batería durante su uso, a evaluar otras aplicaciones para las baterías usadas y a mejorar la eficiencia de los procesos de reciclaje. Los científicos involucrados están recopilando en un libro titulado «Handbook on Smart Battery Cell Manufacturing» los enfoques para digitalizar y optimizar la producción de baterías basándose en datos. Se espera que se publique todavía este año.