Az akkumulátorcella-gyártás magas követelményeket támaszt a tisztatérrel szemben

Az akkumulátorcella gyártása magas követelményeket támaszt a tisztatérrel szemben

Határátlépés a fizika határterületein: Egy új akkumulátor-generáció gyártása elektromos autók számára csak legfeljebb 2 százalékos páratartalom mellett lehetséges

Az elektromos meghajtású járművek már körülbelül húsz éve elérhetők a piacon. Hogy eddig nem váltak széles körben elterjedté, elsősorban az elektromos járművek korlátozott hatótávolsága miatt van: a jelenleg elérhető akkumulátorok csak viszonylag kevés energiát képesek tárolni és szállítani. Az elektromos autókkal hosszabb távok megtételéhez ezért könnyebb és tartósabb energiacellákra van szükség. A Volkswagen és a Varta Microbattery ezért közösen alapított kutatóintézetet, hogy vizsgálják és növeljék a lítium-ion akkumulátorok teljesítményét járművekben való alkalmazásra. Azonban az érzékeny akkumulátorcella gyártása magas követelményeket támaszt a gyártási környezet iránt. A Nerling rendszerépítőnek a fizika határain belül kellett maradnia, és egy olyan tisztatér kialakítására volt szükség, amelyben a levegő páratartalma legfeljebb 2 százalék.

?Általában a tisztaterek relatív páratartalma 40-60 százalék között van, és ez az emberi komfortzónában helyezkedik el?, magyarázza Olaf Nerling, a Nerling Systemräume GmbH ügyvezetője. Az autóiparban azonban már 35 százalékot is megkövetelnek, hogy elkerüljék a repedésképződést a levegő páratartalma miatt. A gyógyszeriparban a finomra őrölt hatóanyagok feldolgozásánál a relatív páratartalom akár csak 10 százalék lehet. ?A jelenlegi legmagasabb követelmények azonban az elektrotechnikából származnak?, mondja Nerling. ?A Volkswagen Varta Microbattery kutatóintézetében a lítium-ion akkumulátorcellák gyártásánál a legfeljebb 2 százalékos relatív páratartalom extrém szárazságot ír elő.?

A páratartalom a gyártás során rontja az akkumulátorok teljesítményét

A Volkswagen és a Varta Microbattery közötti együttműködés célja, hogy saját lítium-ion cellák fejlesztésével javítsa az elektromos járművek akkumulátorainak megbízhatóságát, tartósságát és energiasűrűségét. ?A vízió az, hogy sok, akár kisebb innováció összefogásával Németországot ? főként az ázsiai piacokkal szemben ? nemzetközileg versenyképes gyártóhellyé tegyük?, mondja Prof. Dr. Werner Schreiber, a Volkswagen Varta Microbattery Kutatóintézet ügyvezetője.

Az ilyen akkumulátorcellák gyártásában használt alapanyagokat a környezeti hatások érik. ?A katódokhoz szánt pasztákat fémből készült hordozó fóliákra viszik fel, majd ezeket szárítják, kalanderezik és vágják?, magyarázza Schreiber az előállítás alapelvét. ?Ezeket a katód fóliákat ezután egy szeparátorral együtt tekercselik fel. A katótekercs alkotja az akkumulátorcella magját.? Ha a vegyszereket a gyártás során a kalanderen (nyomóprésen) nedvesség éri, megváltoznak a tulajdonságaik. ?Ezért a gyártási helyiségnek rendkívül száraznak kell lennie, különben az akkumulátor cella minősége és megbízhatósága romlik?, mondja Schreiber. ?Emellett az akkumulátor élettartama is csökken, ha a gyártási folyamat során túl magas a helyiség páratartalma.?
Adsorpciós szárítás mint új klímatechnikai eljárás

Mivel a hagyományos klímatechnikával nem érhető el ilyen alacsony, legfeljebb 2 százalékos páratartalom, Nerling és egy együttműködő partner alkalmazta a viszonylag új adszorpciós szárítási eljárást. A páramentesítés egy rotor segítségével történik, amely egy hullámos üvegszálas szerkezetből áll, és szilícium-dioxidot tartalmaz szorpciós közegként. ?A folyadékot a rotoron keresztül fújják ki, amely átadja a nedvességet a szorpciós közegnek, és száraz levegőként áramlik be a tisztatérbe?, magyarázza az ügyvezető. ?A forgás révén a rotorban forró levegőt vezetnek be egy elkülönített területen, amely eltávolítja a felgyülemlett nedvességet, és kiengedi a külső levegőbe.?

Az egyik további kihívás a folyamatos levegőszárításban a pontos nedvességtartalom meghatározása volt. ?Itt a fizika határterületein haladunk?, mondja Nerling. ?A szokásos mérőműszerek nem képesek ilyen alacsony, 2 százalék alatti relatív páratartalom mérésére.? A nedvességmérőknek szinte egyedi vízmolekulákat kellene detektálniuk. Ezért más mérési technikát alkalmaztak: a tisztatérben a nedvességet speciális harmatpont-mérőkkel mérik. A 2 százalékos relatív páratartalom ekkor -30°C harmatpontnak felel meg. ?Ezzel az alternatív mérési módszerrel akár -90°C harmatpontig is meghatározható a szárazság?, mondja Nerling. ?Egy következő projektben elsőként próbálkozunk azzal, hogy ezzel a módszerrel a relatív páratartalom 1 százalék alá vagy a -60°C harmatpont elérésére.?

Teljes körű megoldás, beleértve a darut is

A 15,5 x 5,6 méteres tisztatér egy Volkswagen Varta Microbattery Kutatóintézet ellwangen-i gyárában került összeszerelésre, gyártási körülmények között, és egy összekötő ajtón keresztül csatlakozik egy már meglévő szárazhelyiséghez. További elvárások voltak a 20°C-os hőmérséklet és az ISO 8 tisztasági osztály szerinti tisztaság. ?Emellett a költségek mellett a rövid szállítási határidők és a határidő betartása is fontos szerepet játszott, mivel az egyes gyártóberendezések szállítását és telepítését szigorúan be kellett tartanunk?, mondja Schreiber.

A németországi rendszerépítő megbízásának döntő oka a Volkswagen Varta Microbattery átfogó szakértelme volt minden területen. Például egy 10 tonnás daru is szükséges volt a tisztatérben, amellyel a kalanderező hengert javítási célokra ki lehetett emelni. ?A Nerling volt az egyetlen szállító, aki komplett, kulcsrakész megoldást tudott nyújtani a tisztatér, a klímatechnika és a daru területén?, indokolja Schreiber a döntést. Mivel a kalanderező a legnagyobb méreteket öleli fel a tisztatérben, a magasságnak ezen a ponton legalább 5,5 méternek kellett lennie. Annak elkerülése érdekében, hogy kihasználatlan holttér keletkezzen a többi terület felett, és ezáltal felesleges költségek merüljenek fel a klimatizálás során, a helyiség magasságát nagyjából 3,3 méterre tervezték, és csak a kalanderező felett emeltek egy kupolát.

Alumínium tartószalag megakadályozza az elektrosztatikus feltöltődést okozó károkat

?Egy másik probléma a csupán 2 százalékos relatív páratartalom mellett az, hogy a levegő és egy általános PVC-padló nem képesek többé vezetni az elektrosztatikus feltöltődéseket?, magyarázza Nerling. Ez azonban veszélyt jelenthet arra, hogy a gépvezérlő indításakor szikrakibocsátás történjen, és a berendezés megsérüljön. Megoldást jelent ebben a rendszerépítő által kifejlesztett, párafékező rétegből készült, alumínium tartószalagos padlóburkolat. Ez a padlóburkolat még extrém alacsony páratartalom mellett is biztosítja a töltések levezetését. Szintén központi szerepet játszik a helyiség egész rendszerének szigetelése. A tisztatér külső falai és ablaka pontosan illeszkednek egymáshoz, hogy elkerüljék a légzáró rések kialakulását a környező gyártócsarnok felé. A hozzáférést anyag- és személyzeti levegőzsilip biztosítja, melyek egymással zárolt ajtókkal vannak ellátva, hogy ne jusson be levegő nedvesség. A második ajtó a belső tér felé csak akkor nyílik, amikor a légkondicionáló a nedvességet kivonta, az úgynevezett öblítési idő után.

Ebben a speciális igényekhez igazított gyártási környezetben jelenleg a közös vállalkozás kutatásai folynak az akkumulátorcellák kémiai összetételének és gyártási módszereinek optimalizálására. A Volkswagen és a Varta Microbattery közötti együttműködés elsőként négy évre szól, és ez idő alatt támogatja a Szövetségi Gazdasági és Technológiai Minisztérium. ?Ha tovább növekszik az elektromobilitás iránti érdeklődés társadalmunkban, és a pilotprojekt sikeresen zárul, tervezzük egy ilyen akkumulátorcellák sorozatgyártására alkalmas nagyüzem kialakítását?, mondja Schreiber a jövőre nézve.

Kép: Nerling Systemräume GmbH