Digitalizált és fenntartható akkumulátorgyártás

Innovatív Kutatás- és Fejlesztési Platform: formátum- és dizájnkész rugalmas tekercselő rendszer. © Fraunhofer IPA/Rainer Bez / Innovatív kutatás és fejlesztés platform: szél- és rendszer, amely rugalmas formátumokat és dizájnt kínál. © Fraunhofer IPA/Rainer Bez

Jelly Rolls és hengeres akkumulátorgyártás a Fraunhofer IPA-nál (21700 kerek cella tab nélküli folyamatos kialakításban). © Fraunhofer IPA/Rainer Bez / Jelly Rolls és hengeres akkumulátorcella a Fraunhofer IPA-nál (21700 kerek cella tab nélküli folyamatos kialakításban). © Fraunhofer IPA/Rainer Bez

Formátum- és tervezési rugalmasság hengeres akkumulátorcella esetén (kör alakú cellák). © Fraunhofer IPA / Formátum és tervezési rugalmasság hengeres akkumulátorcella esetén (kör alakú cellák). © Fraunhofer IPA

A meglévő tárolórendszerek továbbfejlesztése központi feltétele a energiaátállásnak. A Digitális Akkumulátorgyártás Központja (ZDB) a Fraunhofer Gyártástechnikai és Automatizálási Intézetben (IPA) közösen egy formátum- és dizájnfüggetlen tekercselőberendezést üzembe helyezett hengeres akkumulátorcella gyártására. Ez innovatív kutatási és gyártási platformként szolgál, hogy új cellaformátumokat és -alkatrészeket, valamint tabulástervezéseket próbáljanak ki. Lehetővé teszi a nagyformátumú cellák fejlesztését a jövőbeli akkumulátortechnológiák számára. A tekercselőberendezés világszerte egyedülálló, és beágyazódik egy automatizált és digitalizált infrastruktúrába az akkumulátorcella gyártásban.

A villanyautók akkumulátorai több modulból állnak, amelyekben számos akkumulátorcella van beépítve. Ezek a minden akkumulátor szívét képezik, és a hozzájuk tartozó értékteremtés legnagyobb részét is ez adja. A hengeres akkumulátorcellák az elmúlt években egyre népszerűbbé váltak az autóiparban, ahol a trend a nagyobb cellaformátumok felé mutat. A Fraunhofer IPA ZDB-je szoros együttműködésben az acp systems AG-vel kifejlesztett, felépített és most üzembe helyezett egy hengeres akkumulátorcella, más néven körkellék, gyártására szolgáló tekercselőberendezést. Ez sokoldalú kutatási és gyártási platformként működik, hogy új cellaformátumokat és tabulástervezéseket, valamint fejlett módszereket teszteljen a minőség javítása és a folyamat optimalizálása érdekében rövid idő alatt. Az új tekercselőberendezés kiegészíti Európában egyedülálló gyártósorát, amely teljes körű összeszerelést tesz lehetővé lítium-ionos és jövőbeli akkumulátortechnológiák, például nátrium-ion akkumulátorok számára. A gyártási lánc különlegessége a digitalizáció és az összekapcsoltság minden folyamatlépésében – a bevonástól, tekercseléstől, összeszereléstől és töltéstől egészen a formázásig. Baden-Württemberg Gazdasági, Munkaügyi és Turisztikai Minisztériuma támogatta a tekercselőberendezés építését és telepítését.

„A ZDB-ben minden folyamatlépést lefedhetünk egy akkumulátorcella gyártásában. A tekercselési folyamat az egyik központi gyártási folyamat, a tekercs pedig az akkumulátorcella szíve. A tekercselőberendezéssel most egy hiányt pótoltunk a folyamatosan digitalizált folyamatláncban, így a gyártósor teljes” – mondja Julian Grimm, a Fraunhofer IPA kutatócsoportvezetője és a ZDB helyettes központvezetője.

Az elektródák és szeparátorok a Jelly Rollra kerülnek feltekercselésre

Körülbelül egy tucat lépés szükséges ahhoz, hogy egy cella készen álljon a használatra. A tekercselési folyamat során a pozitív és negatív elektródát két szeparátorral együtt feltekerik, így jön létre a „Jelly Roll”. Ezután következik az összeszerelés, ahol a Jelly Roll-t rendkívül precízen kell vezetni. Ezután a tekercset a középen átvezetett, az anód és a katód között elhelyezett vezető elektróda összeköti a cella testével, azaz a pohár aljával, és összesz weldelik.

Azonban az új hengeres akkumulátorcella gyártóberendezés nemcsak egy Jelly Roll gyártási platform, hanem kutatási platformként is szolgál, hogy innovatív cellarendszereket és -formátumokat fejlesszenek ki, és azok minőségét teszteljék. „Az egyedi tulajdonságunk a berendezés rugalmassága. Képesek vagyunk különböző cellaformátumokat, különböző méretekben és tabulástervezésekkel, például tab nélküli megoldásokkal megvalósítani. A tab, egy keskeny vezetőelem az anódon és a katódon, amelyen keresztül az áramnak kell haladnia, a nagyformátumú cellák szűk keresztmetszete” – magyarázza a kutató. Körkellékek esetén a trend a nagyobb cellaformátumok felé mutat, amelyek átmérőjükben és magasságukban is nagyobbak. A tekercsek és a körkellékek tehát nagyobbak lesznek. A probléma az, hogy minél nagyobbak a cellák, annál nehezebb elvezetni az áramot és a hőt. „Ezen kihívásra egyedi tabulástervezésekkel reagálhatunk, például tab nélküli kialakítás esetén az alumínium- és rézvezető fóliák az áram- és hővezetők, amelyek magasabb hőelvezetést tesznek lehetővé, mint a hagyományos tab” – magyarázza Grimm. Az innovatív cella tervezések biztosítják a homogenitást a hengeres cellákban, így lehetővé téve nagyformátumú cellák gyártását is. Nagyobb cellák, több aktív anyag felhasználásával magasabb energiasűrűség és ezáltal nagyobb hatótávolság érhető el az elektromos autóknál.

Az összegyűjtött adatok a cellákhoz kerülnek hozzárendelésre

Az áramlás minimalizálása és a minőség növelése érdekében az egész gyártási folyamat digitalizált és hálózatba kötött. Ehhez szenzorok gyűjtik az adatokat, amelyek valós időben érkeznek a felhőbe. A Fraunhofer IPA által kifejlesztett nyomonkövethetőségi technológiák lehetővé teszik, hogy az összegyűjtött adatokat hozzárendeljék a gyártott akkumulátorcellákhoz. Minden egyes gyártott cella adatokat szolgáltat az elemzésekhez és a mesterséges intelligencia tanításához. Így visszakövethető, hogy milyen körülmények között készült, és hogyan viszonyul a megvalósult termékminőséghez. Az adatok szolgáltatásokat fejlesztenek felügyeleti, elemző és előrejelző képességekkel. Ez lehetővé teszi a gyártási folyamat fejlesztését és a hibaforrások gyorsabb kijavítását, mint eddig.

„Az innovatív cella tervezések megkövetelik a gyártási folyamatok újratervezését és optimalizálását, amelyeket a tekercselőberendezésen lehet kutatni. Az innovatív cella dizájn és az agilis gyártási megközelítések kombinációja kulcsfontosságú a gyorsan változó energiapiac kihívásainak való megfeleléshez, új megoldások gyorsabb piacra viteléhez, és a fenntartható, magas minőségű akkumulátortechnológiák felé vezető út megteremtéséhez” – összegzi Grimm. A gyártók és felhasználók lehetőséget kapnak arra is, hogy prototípusokat, termékeket, cellaalkatrészeket, anyagokat és dizájnokat teszteljenek a berendezésen.