Assemblaggio delle celle della batteria – digitale e sicuro

Assemblaggio delle celle della batteria con un supporto intelligente per i pezzi di produzione per la produzione digitalizzata. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Il cuore di ogni auto elettrica è la batteria. Deve essere compatta e il più potente possibile – e soprattutto sicura. Questo pone grandi requisiti alla produzione. Come potrebbe essere in futuro, mostrano ricercatori e ricercatrici del Fraunhofer IPA nel Centro per la produzione digitalizzata di celle batteria (ZDB).

Un sistema di batterie moderno collega più moduli di batteria, in cui sono installate numerose celle batteria. A seconda del produttore, queste celle hanno formati diversi. L'impianto pilota nel ZDB presso l'Istituto Fraunhofer per la tecnologia di produzione e automazione IPA a Stoccarda è progettato per formati di celle cilindriche.

All’interno di una cella batteria si trovano le elettrodi. Sono costituiti da sottili pellicole rivestite, che insieme a un separatore vengono arrotolate in un avvolgimento chiamato «Jelly Roll». Anche un piccolo difetto o un granello di polvere che entra all’interno può indebolire significativamente le prestazioni o addirittura provocare un cortocircuito e quindi un incendio. Per questo, al Fraunhofer IPA è stato creato, con il supporto del finanziamento del Land Baden-Württemberg, un laboratorio con condizioni particolari di ambiente sterile e di asciutto. È dotato di tecnologie di impianto che consentono il montaggio completo delle celle batteria. La particolarità è la digitalizzazione e la rete di tutti i passaggi del processo. In questo modo, i ricercatori e le ricercatrici dispongono di una linea di produzione unica in Europa, che permette loro di supportare sia i potenziali produttori di celle sia i costruttori di macchine e impianti nello sviluppo e nell’automazione dei processi, così come nell’ottimizzazione del montaggio in termini di affidabilità e throughput. La gamma va dall’analisi e studio di passaggi critici del processo, all’applicazione di strumenti digitali, fino alla prototipazione.

Monitoraggio del processo per una soluzione ottimale

Circa una dozzina di passaggi sono necessari affinché una cella sia pronta all’uso, e ognuno di questi è decisivo per la qualità della cella stessa e dell’intero sistema di batterie. All’inizio si effettua il rivestimento dell’elettrodo positivo e negativo, che viene poi arrotolato insieme a un separatore in un avvolgimento chiamato «Jelly Roll». Segue quindi il montaggio, detto assemblaggio. Per farlo, la Jelly Roll deve essere guidata con estrema precisione e possibilmente senza toccare le pareti del contenitore. Successivamente, tramite un elettrodo a barra inserito attraverso il foro centrale dell’avvolgimento, si salda l’avvolgimento con il fondo del contenitore. Per evitare che l’avvolgimento si sposti o si stacchi, si inserisce in un punto definito una scanalatura di forma e profondità specifiche, una depressione a forma di anello.

Il passaggio successivo, il riempimento dell’elettrolito liquido, è particolarmente delicato e richiede un ambiente privo di ossigeno e con umidità minima. Gli strumenti necessari sono quindi collocati in una scatola ermeticamente sigillata, una cosiddetta «Glovebox», in cui si può operare dall’esterno con guanti integrati. «Nel processo che si svolge sotto un’atmosfera di argon, una quantità definita di elettrolito liquido deve essere riempita con estrema precisione e senza traboccare, perché questo influisce sulle prestazioni e sulla durata della cella», spiega Matthias Burgard del Fraunhofer IPA. Ciò è particolarmente difficile, poiché il liquido penetra lentamente, a causa degli spazi porosi stretti.

Infine, si inserisce un elemento di copertura con forza di fissaggio definita, che viene fissato tramite una deformazione del bordo del contenitore e chiude così la cella. Per garantire l’affidabilità del processo, all’esterno non dovrebbe esserci alcun elettrolito critico per la sicurezza, ma la cella montata viene comunque pulita prima di essere completata. In conclusione, si applica un rivestimento protettivo e si etichetta.

Conoscenza derivante dai dati di produzione raccolti in cloud – nasce nuova conoscenza

Per ridurre al minimo gli scarti e aumentare la qualità, ricercatori e ricercatrici come Florian Maier e Ozan Yesilyurt del Fraunhofer IPA hanno digitalizzato e collegato l’intero processo produttivo. La produzione diventa in un certo senso trasparente. A tal fine, numerosi sensori su tutti i dispositivi raccolgono dati che vengono inviati in tempo reale nel cloud. Le tecnologie di tracciabilità sviluppate dal Fraunhofer IPA permettono di associare i dati raccolti alle celle batteria prodotte. La novità: ogni singola cella batteria prodotta è rappresentata come un Gemello Digitale, pronto per analisi dei dati e addestramento di intelligenza artificiale. In questo modo si può risalire alle condizioni in cui è stata prodotta e come si relaziona alla qualità del prodotto finale. Ricercatrici come Soumya Singh orchestrano questi dati e li utilizzano per sviluppare servizi con capacità di monitoraggio, analisi e previsione. Ciò permette di ottimizzare sempre più il processo produttivo e di eliminare le fonti di errore più rapidamente rispetto al passato.

Inoltre, i dati raccolti in produzione aiutano anche a sviluppare modelli predittivi più accurati sul comportamento di invecchiamento delle celle durante l’uso, a valutare ulteriori possibilità di impiego delle celle usate e a migliorare l’efficienza dei processi di riciclo. Al momento, i ricercatori coinvolti stanno riassumendo altri approcci per digitalizzare e ottimizzare i processi di produzione di batterie nel libro «Handbook on Smart Battery Cell Manufacturing», che dovrebbe essere pubblicato entro quest’anno.