Producción de celdas de batería digitalizada y sostenible

Plataforma innovadora de investigación y desarrollo: sistema de bobinado con formatos y diseños flexibles. © Fraunhofer IPA/Rainer Bez / Plataforma innovadora de investigación y desarrollo: sistema de bobinado con formatos y diseños flexibles. © Fraunhofer IPA/Rainer Bez

Rulos de gel y celda de batería cilíndrica fabricados en el Fraunhofer IPA (celda redonda 21700 en diseño continuo sin pestañas). © Fraunhofer IPA/Rainer Bez / Rulos de gel y celda de batería cilíndrica producidos en el Fraunhofer IPA (celda redonda 21700 en diseño continuo sin pestañas). © Fraunhofer IPA/Rainer Bez

Flexibilidad en formato y diseño para celdas de batería cilíndricas (celdas redondas). © Fraunhofer IPA / Flexibilidad en formato y diseño para celdas de batería cilíndricas (celdas redondas). © Fraunhofer IPA

El desarrollo de los sistemas de almacenamiento existentes es una condición fundamental para la transición energética. El Centro para la Producción Digitalizada de Celdas de Batería (ZDB) en el Instituto Fraunhofer para Tecnología de Producción y Automatización IPA ha puesto en marcha junto con acp systems AG una línea de bobinado flexible en formato y diseño para celdas de batería cilíndricas. Sirve como una plataforma innovadora de investigación y producción para probar nuevos formatos de celdas y componentes, así como diseños de pestañas. Permite el desarrollo de celdas de gran formato para futuras tecnologías de baterías. La línea de bobinado es única en el mundo y está integrada en una infraestructura automatizada y digitalizada para la producción de celdas de batería.

Las baterías para autos eléctricos están compuestas por varios módulos, en los cuales se instalan una gran cantidad de celdas de batería. Estas son el corazón de cada batería, y también representan la mayor parte del valor añadido. En los últimos años, las celdas de batería cilíndricas han ganado popularidad en la industria automotriz, con una tendencia hacia formatos de celda más grandes. El ZDB del Fraunhofer IPA ha desarrollado, construido y puesto en marcha en estrecha colaboración con acp systems AG una línea de bobinado para celdas cilíndricas, también llamadas celdas redondas. Sirve como una plataforma versátil de investigación y producción para probar nuevos formatos de celdas y diseños de pestañas, así como métodos avanzados para mejorar la calidad y optimizar los procesos en poco tiempo. La nueva línea de bobinado completa una línea de fabricación única en Europa para el montaje completo de celdas de batería para tecnologías de iones de litio y futuras tecnologías, como las baterías de sodio-ión. La particularidad de la cadena de fabricación es la digitalización y conexión de todos los pasos del proceso, desde el recubrimiento, el bobinado, el ensamblaje y el llenado hasta el formateo. El Ministerio de Economía, Trabajo y Turismo de Baden-Württemberg ha financiado la construcción e instalación de la línea de bobinado.

»En el ZDB podemos cubrir todos los pasos del proceso para la fabricación de una celda de batería. El proceso de bobinado es uno de los procesos centrales de la producción, y el bobinado es el corazón de la celda de batería. Con la línea de bobinado, ahora hemos cerrado una brecha en la cadena de proceso digitalizada de manera continua, por lo que la línea de fabricación está completa«, dice Julian Grimm, líder del equipo de investigación en el Fraunhofer IPA y subdirector del ZDB.

Electrodos y separadores se enrollan para la Jelly Roll

Se necesitan aproximadamente una docena de pasos de trabajo hasta que una celda esté lista para su uso. En el proceso de bobinado, el electrodo positivo y el negativo, junto con dos separadores, se enrollan en un bobinado, conocido como Jelly Roll. A continuación, se realiza el ensamblaje, en el que la Jelly Roll debe ser guiada con alta precisión. Luego, mediante un electrodo de barra introducido a través del agujero central del bobinado, el bobinado se solda a la base del vaso.

Pero la nueva línea de bobinado para celdas cilíndricas no solo es una plataforma de producción para Jelly Rolls, sino que también funciona como una plataforma de investigación para desarrollar sistemas y formatos innovadores de celdas y probar su calidad. »La característica distintiva de nuestra línea es su flexibilidad. Con ella, somos capaces de realizar diferentes formatos de celdas en distintos tamaños y diseños de pestañas, como diseños sin pestaña soldada. La pestaña, un elemento conductor estrecho en el ánodo y el cátodo por donde debe fluir la corriente, es el cuello de botella en celdas de gran formato«, explica el investigador. En las celdas redondas, la tendencia apunta hacia formatos más grandes, que son mayores en diámetro y altura. El bobinado y la celda redonda, por tanto, son de mayor tamaño. El problema: cuanto más grandes sean las celdas, más difícil será disipar la corriente y el calor. »Podemos responder a este desafío con diseños de pestañas individuales, donde, por ejemplo, en un diseño sin pestaña, la lámina portadora de aluminio y cobre actúa como conductor de corriente y calor, permitiendo una mayor evacuación que la pestaña clásica«, explica Grimm. Los diseños innovadores de celdas garantizan la homogeneidad en celdas cilíndricas y permiten la fabricación de celdas de gran formato. Con celdas más grandes y más material activo, se puede lograr una mayor densidad energética y, por tanto, una mayor autonomía en los autos eléctricos.

Los datos recopilados se asignan a las celdas de batería

Para minimizar los residuos y aumentar la calidad, todo el proceso de producción está digitalizado y conectado. Para ello, los sensores recopilan datos que se transmiten en tiempo real a la nube. Las tecnologías de trazabilidad desarrolladas en el Fraunhofer IPA permiten asignar los datos recopilados a las celdas de batería producidas. Cada celda de batería fabricada está disponible para análisis de datos y entrenamiento de inteligencia artificial. De esta forma, se puede rastrear bajo qué condiciones se fabricó y cómo se relaciona con la calidad del producto alcanzada. Los datos se utilizan para desarrollar servicios con capacidades de monitoreo, análisis y predicción. Esto permite mejorar el proceso de producción y detectar las fuentes de error más rápidamente que antes.

»Los diseños innovadores de celdas requieren una nueva planificación y optimización de los procesos de producción, que pueden investigarse en la línea de bobinado. La combinación de un diseño innovador de celdas y enfoques de producción ágiles es la clave para cumplir con las demandas de un panorama energético en rápida transformación, facilitar la introducción más rápida de nuevas soluciones en el mercado y allanar el camino hacia tecnologías de baterías sostenibles y de alta calidad«, resume Grimm. Además, los fabricantes y usuarios de electrodos, separadores y celdas tienen la oportunidad de probar sus prototipos, productos, componentes de celdas, materiales y diseños en la línea.