Úttörő koncepciók a fenntartható és gazdaságos akkumulátorgyártáshoz

Konzept eines Anlagenpiloten der Fraunhofer FFB in U-Anordnung als Makro-Umfeld. © Fraunhofer FFB / Konzept eines Fraunhofer FFB Anlagenpiloten in U-Anordnung als Makro-Umfeld Der Schwung, mit dem sich die Batteriespeichertechnologie als einer der vielversprechendsten Ansätze zur Substitution fossiler Brennstoffe entwickelt, ist enorm. Um jedoch die Herstellung von Batteriezellen langfristig nachhaltiger und wirtschaftlicher zu gestalten, sind zusätzliche Einsparpotenziale und Effizienzstrategien im Herstellungsprozess erforderlich, ohne die Standards der Produktionsumgebungen zu vernachlässigen. Derzeit entfallen in Deutschland bis zu 50 Prozent der Treibhausgasemissionen auf die für die Produktion von Batteriezellen benötigte Elektrizität, wobei bis zu 43 Prozent des Energiebedarfs auf die Herstellungsumgebung und den Betrieb von Rein- und Trockenräumen entfallen. Das Whitepaper der Münsteraner Forscher beschreibt .© Fraunhofer FFB

A fenntartható mobilitás felé való átálláshoz erőteljes akkumulátorcella-akkumulátorok elengedhetetlenek. Alapvető fontosságú ennek érdekében egy energiatakarékosabb és erőforrás-hatékonyabb gyártási infrastruktúra kialakítása a cellák számára. A Fraunhofer Kutatóintézet, a Batteriezelle Forschungsfertigung FFB munkatársai most lehetőségeket mutatnak be arra, hogyan lehet az úgynevezett „Mini- és Makro-környezetek” alkalmazásával csökkenteni az energia- és üzemeltetési költségeket az akkumulátorcella-gyártásban, és ezáltal magas potenciált teremteni a versenyképes akkumulátorgyártás számára Németországban és Európában. A tanulmány eredményei a legújabb fehér könyvben összegzettek: „Energiahatékony és minőségorientált berendezés-koncepciók az akkumulátorcella-gyártásban”, amely mostantól elérhető.

A lítium-ion akkumulátor (LIB) technológia fejlődése, mint az egyik legígéretesebb megközelítés a fosszilis energiahordozók helyettesítésére, rendkívül dinamikus. Annak érdekében, hogy az akkumulátorcellák hosszú távon fenntarthatóbbak és gazdaságosabbak legyenek, a gyártási folyamatban további megtakarítási potenciálokra és hatékonyságnövelő stratégiákra van szükség, miközben nem szabad figyelmen kívül hagyni a gyártási környezetek szabványait. Jelenleg Németországban a kibocsátott üvegházhatású gázok akár 50%-a a cellagyártáshoz szükséges elektromos energia igényéből származik, ebből akár 43%-ot a gyártási környezet és a tisztaterek, illetve a szárítóhelyiségek működése tesz ki. A Münster-i kutatók fehér könyve bemutatja, hogyan lehet különböző innovatív környezeti koncepciók segítségével a jövőben gazdasági és környezetvédelmi megtakarításokat elérni az akkumulátorcella-gyártásban, és bemutatja a koncepció gyakorlati megvalósítását a Fraunhofer FFB-nél.

A kihívások az akkumulátorcella-gyártásban

Az alkalmazási területén a lítium-ion akkumulátor (LIB) a legfejlettebb változatnak számít: álló energiatároló rendszerek, fogyasztói elektronika, de különösen a mobilitás elektromosításának nagy része ezzel a technológiával valósul meg. Ez hajtja az éves növekvő keresletet a LIB iránt gigawattóra szinten. A fenntarthatóság és a teljesítmény tulajdonságai, például a nagyobb energiasűrűség az elektromos járművek hatótávolságának növelése érdekében, új típusú cellamaterialokat tesznek szükségessé. A zökkenőmentes, magas minőségű és biztonságos gyártás érdekében ezek azonban kiterjedt követelményeket támasztanak a tisztaság és a szárazság terén.

A tisztaterek és szárítók, azaz hermetikusan zárt helyiségek, megfelelnek ezeknek az elvárásoknak. Száraz légkört biztosítanak, és ennek eredményeként nagyon alacsony páratartalommal rendelkeznek, mínusz 60 Celsius-fok páradiffúziós ponttal, ami az a hőmérsékleti érték, ahol a levegő páratartalmának kondenzációja megkezdődik. Annak érdekében, hogy szárazabb legyen, mint a sivatag, hatalmas energiaigény szükséges a nagyon száraz levegő előállításához.

Az új környezeti koncepciók potenciálja az akkumulátorcella-gyártásban

A Fraunhofer FFB ezért a gyártási környezethez olyan folyamat- és gépközeli burkolási koncepciókat fejleszt, valósít meg és kutat, amelyek a jövőben helyettesíteni fogják az energiaigényes tisztatéri és szárítókörnyezeteket, és jelentősen költséghatékonyabb, fenntarthatóbb alternatívákat kínálnak.

– »Mini-környezetek« korlátozott, elkülönített gyártási és szállítási egységek, amelyek beburkolják az értékteremtő folyamatot és a terméket. A »Mini-környezetek« alkalmazása eddig még csak laboratóriumi vagy pilot szinten történt.
– »Makro-környezetek« összekapcsolják és kombinálják a korlátozott, elkülönített gyártási területeket, amelyek magukban foglalhatják az üzemeltetést, a logisztikát, valamint a gép- és gyártási egységeket.

Erről Marius Heller, a „Összeszerelés és Formálás” kutatócsoport munkatársa a Fraunhofer FFB-nél: „A »Mini-környezetek« alkalmazásával az akkumulátorcella-gyártásban jelentősen javíthatók a kulcsfontosságú paraméterek. Ide tartozik a működési és energia-költségek jelentős csökkenése, valamint a munkatársak védelme potenciálisan káros anyagoktól. A jövőben az ipar áttérhet az ilyen környezeti rendszerek alkalmazására, és ezzel elindulhat az európai ökológiai és gazdaságilag fenntartható cellagyártás felé vezető út.”

Megvalósítás és tesztelés a Fraunhofer FFB gyártósorain

A berendezésgyártók jövőben hatékony és eredményes berendezéstechnológiát kell tervezniük. A Fraunhofer FFB rugalmas és alkalmazkodó gyáraiban, az „FFB PreFab” és az „FFB Fab” létesítményekben összehasonlítási alapot fog létrehozni a minőségorientált és energiahatékony berendezéstechnológia számára a meglévő technológiai szinthez képest, és ezzel jelentős mértékben hozzájárul a fejlett megoldások átültetéséhez az akkumulátoriparba. Ennek keretében többek között a környező tisztaterek és szárítók tesztelésére és kvantifikálására kerül sor, miközben fokozatosan kipróbálják az új környezeti koncepciókat.

Hasibe Turhan, a „Összeszerelés és Formálás” kutatócsoport munkatársa a Fraunhofer FFB-nél: „Arra számítunk, hogy az akkumulátorcella-gyártás hasonló fejlődésen megy keresztül, mint amit a félvezetőgyártás már 30 évvel ezelőtt megtett: a folyamatközeli burkolás révén célzott légáramlások valósíthatók meg, és magas termékminőség érhető el. Összességében a gyártási környezet teljes folyamata optimalizálódik.”

A piaci megfigyelések és iparági beszélgetések alapján a Fraunhofer FFB várakozása szerint a „Mini-környezetek” áttörése a pilot szintű gyártási folyamatoktól a sorozatgyártási szintig 2027-től várható.

A „Energiahatékony és minőségorientált berendezés-koncepciók az akkumulátorcella-gyártásban” című fehér könyv mostantól ingyenesen letölthető.