Az akkumulátorcella összeszerelése – digitálisan és biztonságosan

Összeszerelés akkumulátorcella intelligens gyártósorral a digitalizált gyártáshoz. © Fraunhofer IPA/Kép: Rainer Bez

A minden elektromos autó magja az akkumulátor. Az legyen kompakt és lehetőleg nagy teljesítményű – és főként biztonságos. Ez nagy követelményeket támaszt a gyártással szemben. Hogy a jövőben milyennek képzelhető el, azt mutatják be a Fraunhofer IPA kutatói a Digitalizált Akkumulátorcellagyártás Központjában (ZDB).

Egy modern akkumulátorrendszer több akkumulátormodulhoz kapcsolódik, amelyekben számos akkumulátorcellát helyeznek el. Gyártótól függően ezek a cellák különböző formátumúak lehetnek. A ZDB-ben, a Fraunhofer Ipari Gyártástechnikai és Automatizálási Intézet stuttgarti pilotberendezése a hengeres formátumú cellákra van optimalizálva.

Az akkumulátorcellán belül helyezkednek el az elektródák. Ezek vékony bevont fóliákból készülnek, amelyek egy szeparátorral együtt egy tekercsbe vannak feltekerve, az úgynevezett „Jelly Roll”-ba. Még egy kis hiba vagy por, ami bekerül, jelentősen gyengítheti a teljesítményt, vagy akár rövidzárlatot és tüzet okozhat. A Fraunhofer IPA-ban ezért, Baden-Württemberg állami támogatással, egy speciális tiszta és száraz környezetű laboratórium jött létre. Ez felszerelt olyan berendezésekkel, amelyek lehetővé teszik az akkumulátorcellák teljes körű összeszerelését. A különlegesség az, hogy minden folyamat lépése digitalizált és hálózatba kötött. Ezért az európai szinten egyedülálló gyártósor áll a kutatók rendelkezésére, amellyel támogatni tudják mind a potenciális cellagyártókat, mind a gép- és berendezésgyártókat a folyamatfejlesztésben és automatizálásban, valamint az összeszerelés megbízhatóságának és átfolyásának optimalizálásában. A spektrum a kritikus folyamatlépések elemzését és vizsgálatától a digitális eszközök alkalmazásán át a prototípusgyártásig terjed.

Folyamatfelügyelet az optimális megoldásért

Körülbelül egy tucat lépés szükséges, amíg egy cella készen áll a használatra, és mindegyik lépés döntő fontosságú a minősége és az egész akkumulátorrendszer szempontjából. A folyamat elején az pozitív és negatív elektróda bevonása történik, amit ezután egy szeparátorral együtt egy tekercsbe, az úgynevezett „Jelly Roll”-ba tekernek. Ezután következik az összeszerelés, az úgynevezett összeállítás. Ehhez a Jelly Roll-t nagyon pontosan és lehetőleg a pohár falának érintése nélkül kell vezetni. Ezután a tekercset a középen lévő lyukon keresztül bevezetett rúd elektróda segítségével össze kell hegeszteni a pohár aljával. Annak érdekében, hogy a tekercs ne mozduljon el vagy szakadjon le, egy meghatározott helyen egy kör alakú mélyedést, úgynevezett „sicke”-et alakítanak ki, amely a pohár peremének formájában és mélységében is meghatározott.

A következő lépés, a folyékony elektrolit feltöltése különösen érzékeny, és oxigénmentes, lehetőleg alacsony páratartalmú környezetet igényel. Ezért a szükséges eszközök hermetikusan zárt dobozban, úgynevezett „Glovebox”-ban találhatók, ahol külső kézvédő kesztyűkkel lehet kezelni az anyagokat. „Az argon- atmoszférában zajló folyamat során pontos mennyiségű folyékony elektrolitot kell precízen és anélkül feltölteni, hogy túlcsordulna, mivel ez befolyásolja a cella teljesítményét és élettartamát” – magyarázza Matthias Burgard a Fraunhofer IPA-tól. Ez különösen nehéz, mivel a folyadék csak lassan szivárog be, mivel a pórusok szűkek.

Végül egy fedőelemet helyeznek be meghatározott rögzítési erővel, amely a pohár szélének alakításával rögzül, így lezárva a cellát. A folyamat megbízhatósága érdekében a külső felületen nem lehet biztonsági szempontból kritikus elektrolit, mégis a szerelt cellát a befejezés előtt megtisztítják. Végül egy védőcsővel burkolják és feliratozzák.

Ismeretek a felhőben összegyűlt gyártási adatokból – új tudás keletkezik

A selejt minimalizálása és a minőség növelése érdekében a kutatók Florian Maier és Ozan Yesilyurt vezetésével a Fraunhofer IPA-nál digitalizálták és hálózatba kötötték az egész gyártási folyamatot. A gyártás gyakorlatilag átláthatóvá vált. Ehhez számos szenzor gyűjt adatokat minden eszközön, amelyek valós időben érkeznek a felhőbe. A Fraunhofer IPA által kifejlesztett nyomonkövethetőségi technológiák lehetővé teszik, hogy az összegyűjtött adatok hozzárendelhetők legyenek az előállított akkumulátorcellákhoz. A lényeg: minden egyes gyártott akkumulátorcellának digitális ikertestvére áll rendelkezésre az adatelemzéshez és a mesterséges intelligencia tréningjéhez. Így visszakövethető, hogy milyen körülmények között készült, és hogyan viszonyul a termék minőségéhez. Kutatók, például Soumya Singh, ezeket az adatokat szervezik és felhasználják szolgáltatások fejlesztésére, amelyek felügyeleti, elemző és előrejelző képességekkel bírnak. Ezáltal lehetővé válik a gyártási folyamat folyamatos optimalizálása és a hibaforrások gyorsabb kiküszöbölése.

Ezen túlmenően a gyártás során gyűjtött adatok segítenek jobb előrejelző modellek kidolgozásában az akkumulátorcellák idővel való viselkedéséről, a használt akkumulátorcellák további felhasználási lehetőségeinek értékelésében, valamint a újrahasznosítási eljárások hatékonyságának növelésében. A részt vevő tudósok jelenleg a „Handbook on Smart Battery Cell Manufacturing” című könyvben összegzik az akkumulátorgyártás digitalizálásának és adatvezérelt optimalizálásának további lehetőségeit. Ennek megjelenése még ebben az évben várható.