Nagyon rugalmas, automatizált és digitalizált Jelly Roll gyártás teszt lehetőségekkel

A tekercselő rendszer, amely egy inline minőségellenőrzést is tartalmaz, lehetővé teszi a különböző formátumú és kialakítású zselés tekercsek automatizált és digitalizált gyártását. (Kép forrása: Fraunhofer IPA / Fotó: Rainer Bez)

A kontaktus a hegesztett áramvezetőkkel egy robot segítségével történik, amely a lapokat az anódra és katódra helyezi, majd ultrahangos hegesztővel összeköti őket. (Kép forrása: Fraunhofer IPA / Fotó: Rainer Bez)

Az anód és katód bevágása egy integrált lézervágó rendszerrel történik. A különböző csatlakoztatási lehetőségek tetszőlegesen kombinálhatók. (Kép forrása: Fraunhofer IPA / Fotó: Rainer Bez) / The anode and cathode are notched using an integrated laser cutting system. The various contacting options can be combined as required. (Photo credit: Fraunhofer IPA / photo: Rainer Bez)

A Pufferspeicher biztosítja, hogy a folyamatos tekercselési folyamat során mindig elegendő katód- és anódanyag jusson. (Kép forrása: Fraunhofer IPA / Fotó: Rainer Bez) / The buffer ensures that sufficient cathode and anode material is always fed to the continuous winding process. (Photo credit: Fraunhofer IPA/ photo: Rainer Bez)

A tekercsek minőségét a rendszerben egy Hi-Pot teszt segítségével ellenőrzik. A tekercsgeometria és az áramvezető pozíciójának méretpontosságát optikai inline ellenőrzés végzi. A nem megfelelős cellákat automatikusan kiválogatják. (Kép forrása: Fraunhofer IPA/ Fotó: Rainer Bez)

Akkumulátorcellák az elektromobilitásban és más alkalmazásokban az energiatárolók döntő elemei – és alapvető költségtényezők. A selejtráták jelentős csökkentése, a minőség növelése és innovatív cellatervezések fejlesztése érdekében a Fraunhofer IPA digitális akkumulátorcellagyártó központjában (ZDB) automatizált és digitalizált gyártósor jött létre hengeres akkumulátorcellák számára. Ennek egyik kulcseleme a formátum- és dizájnfüggetlen, teljesen automatikus tekercselő berendezés, amely különféle tesztelési lehetőségeket kínál az acp systems által.

A hajtáslánc akkumulátora az elektromos autók esetében a járműköltségek körülbelül 40 százalékát teszi ki. A legköltségesebb komponens a cellák, amelyek akár 80 százalékot is elérhetnek, és egyre népszerűbbek a hengeres formátumú cellák. Ezek gyártása, amely nagyjából az elektródák elkészítéséből, tekercselésből és összeszerelésből, elektrolit töltéséből és formázásból áll, rendkívül összetett. A magas selejtráta ezért problémát jelent – egy gigawattóra kapacitású gyárban, ahol 10-15 százalékos selejtrátával számolunk, évente 100-150 millió cella kerül selejtre. Ez hatalmas költségcsökkentési lehetőséget rejt magában. Egy másik költségcsökkentési irány a innovatív cellaformátumok és -dizájnok, például kerek cellák esetében. A lehetőségek kihasználásához a gyártási folyamatok gazdasági és ökológiai szempontból történő igazítása és fejlesztése szükséges.

Digitalizált, hálózatba kapcsolt folyamatokkal a magasabb minőségért

Ez a feladatkör tartozik a 2018-ban alapított Digitális Akkumulátorcellagyártó Központ (ZDB) feladatai közé a Fraunhofer IPA-nál. „Kezdetben az volt a célunk, hogy az automatizálás, digitalizálás és a teljes értéklánc hálózatba kapcsolása révén a visszacsatolások és szenzoros adatok segítségével egyes folyamatokat optimalizáljunk, és korábban, valamint jobban azonosítsuk a selejtet” – mondja Prof. Dr.-Ing. Kai Peter Birke, az IPA akkumulátor- és hidrogénrendszerekért és tárolókért felelős igazgatója. A ZDB-ben egy teljesen digitalizált és hálózatba kötött gyártási lánc jött létre a lítium-ion- és nátrium-ion-akkumulátorok hengeres celláinak gyártására. Ez lehetővé teszi a meglévő gyártási folyamatok optimalizálását és azok adaptálását új cellaformátumokra, akár 46xx-es méretig, valamint prototípusok kis sorozatban történő gyártását 1 000 darabig.

Jelly Rolls formátum- és dizájnfüggetlen inline tekercselés

Ennek a gyártósornak a központi eleme az acp systems-szel közösen kifejlesztett tekercselő berendezés, amely a formátum- és dizájnfüggetlen Jelly Rolls gyártását teszi lehetővé. „Ezekkel a feladatokkal más gyártókkal is beszéltünk, de rá kellett jönnünk, hogy a rugalmasság nem volt meg ahhoz, hogy a mi speciális igényeinkhez és kívánságainkhoz igazodva közös fejlesztést indítsunk” – emlékszik vissza Kai Peter Birke. Az elvárások között szerepelt egyrészt, hogy a gép képes legyen inline tekercselni a nagyon kicsi vagy nagyon nagy akkumulátorcellákhoz való Jelly Rolls-t. Másrészt különféle megoldásokat kellett integrálni az inline kontaktáláshoz/áramvezetéshez (Tabs), beleértve a forrasztott Tabs-t, a tabless notched (lézerrel vágott hornyokkal) és tabless folyamatos (lézer hornyok nélkül) dizájnt. Lényeges volt, hogy a kontaktálási megoldások szabadon kombinálhatók legyenek. Emellett a berendezésnek különböző tesztlehetőségeket kellett kínálnia a tekercsek minőségellenőrzéséhez, és képesnek kellett lennie az összes, nagy teljesítményű kör alakú cellához használt anyag feldolgozására.

Moduláris berendezéskoncepció a különböző folyamatlépésekhez

Ez egy moduláris berendezéskoncepcióban valósult meg, összesen négy állomással. Az első modulban találhatók az anód- és katódfóliák tekercsei, amelyek párhuzamosan, egymás mellett kerülnek feltekercselésre. A teljes folyamat során a szalagvégek irányításával biztosítják, hogy a fóliák mindig pontosan a helyükre kerüljenek.

A gyártás első állomásán történik a kontaktálás, ahol hegesztett áramszivárgókat alkalmaznak. Ehhez egy robot helyezi a Tabs-t az anódra és a katódra, amelyeket ultrahangos hegesztőfej köt össze. A második modul tartalmaz egy lézersugaras vágórendszert a notchinghoz, amellyel mind az anód, mind a katód megmunkálható. Emellett egy irányváltó berendezés is beépítésre került, amely lehetővé teszi, hogy a fóliák oldalirányban elmozduljanak a tekercselő síkba, így érintésmentesen egymás fölé kerüljenek a harmadik modulban. Itt találhatók további két tekercs a szigetelőfóliákkal. A tényleges tekercselési folyamat azzal kezdődik, hogy a szigetelőket behelyezik a tekercsmagba. Néhány fordulat után a felső oldalról az anódfóliát betolják a két szigetelő közé. Egy fogó ezután a katódfóliát is betolja a tekercsmagba. Amint ez megtörtént, megkezdődik a tekercselés. Az utolsó modulban a tekercsek először magasfeszültség-teszten, az úgynevezett Hi-Pot-teszten esnek át, hogy kizárják a későbbi rövidzárlatokat a cellában. Ezt követi egy optikai inline ellenőrzés, amely során vizsgálják a cella tekercselési geometriáját és az áramszivárgók helyzetét. A két tesztet sikeresen teljesítő cellákat egy darab tartóba helyezik, és a következő gyártási szakaszba kerülnek. A nem megfelelő cellákat automatikusan kiválogatják. „A szoros, nyitott és közvetlen, valamint egyszerű együttműködésnek köszönhetően az acp-vel egy olyan gépet kaptunk, amely pontosan megfelel az elképzeléseinknek. Ezáltal optimális alapot teremtettünk, amit az elektrolitadagoló berendezés fejlesztésével folytatunk” – jegyzi meg Kai Peter Birke.

Optimális alkalmazkodás az egyéni igényekhez moduláris felépítés révén

A moduláris, építőkocka-alapú tekercselő berendezés előnyös a hengeres akkumulátorcellák sorozatgyártásában is. Lehetővé teszi akár 60 mm átmérőjű és legfeljebb 110 mm hosszúságú tekercsek gyártását. A tekercselési sebesség akár 2,5 méter/másodperc is lehet. A kontaktálási megoldások és a tesztelési lehetőségek szabadon testreszabhatók a vállalati igények szerint. Emellett a folyamatlépések, például ultrahangos hegesztés és lézeres vágás, után egy további, száraz és nyommentes tisztítási folyamat is könnyen beépíthető, helytakarékosan.