Produzione di celle batteria digitalizzata e sostenibile

Piattaforma innovativa di ricerca e sviluppo: impianto di avvolgimento con formati e design flessibili. © Fraunhofer IPA/Rainer Bez / Piattaforma di ricerca e sviluppo innovativa: sistema di avvolgimento con formati e design flessibili. © Fraunhofer IPA/Rainer Bez

Rotoli di gelatina e celle batteriche cilindriche prodotte presso il Fraunhofer IPA (cellula rotonda 21700 in design continuo senza linguette). © Fraunhofer IPA/Rainer Bez / Rotoli di gelatina e cella batterica cilindrica prodotta al Fraunhofer IPA (cellula rotonda 21700 in design continuo senza linguette). © Fraunhofer IPA/Rainer Bez

Flessibilità di formato e di design nelle celle batteria cilindriche (celle rotonde). © Fraunhofer IPA / Flessibilità di formato e di design per le celle batteria cilindriche (celle rotonde). © Fraunhofer IPA

Lo sviluppo delle attuali sistemi di stoccaggio è una condizione fondamentale per la transizione energetica. Il Centro per la produzione digitalizzata di celle batteria (ZDB) presso l'Istituto Fraunhofer per la tecnologia della produzione e l'automazione IPA ha messo in funzione, in collaborazione con acp systems AG, un impianto di avvolgimento flessibile in formato e design per celle batteria cilindriche. Esso funge da piattaforma innovativa di ricerca e produzione, per sperimentare nuovi formati di celle e componenti, nonché design di tab. Permette lo sviluppo di celle di grandi dimensioni per le future tecnologie di batterie. L'impianto di avvolgimento è unico al mondo ed è integrato in un'infrastruttura automatizzata e digitalizzata per la produzione di celle batteria.

Le batterie per auto elettriche sono composte da più moduli, in cui sono installate numerose celle batteria. Queste sono il cuore di ogni batteria, e rappresentano anche la maggior parte del valore aggiunto. Negli ultimi anni, le celle cilindriche sono diventate sempre più popolari nel settore automobilistico, con una tendenza verso formati di celle più grandi. Il ZDB dell'Istituto Fraunhofer IPA, in stretta collaborazione con acp systems AG, ha sviluppato, costruito e messo in funzione un impianto di avvolgimento per celle cilindriche, chiamate anche celle rotonde. Esso funge da piattaforma versatile di ricerca e produzione, per sperimentare nuovi formati di celle, design di tab e metodi avanzati di miglioramento della qualità e ottimizzazione dei processi in tempi ridotti. La nuova linea di avvolgimento completa una linea di produzione unica in Europa per il montaggio completo di celle batteria per batterie agli ioni di litio e per future tecnologie come le batterie al sodio-ione. La caratteristica distintiva della catena di produzione è la digitalizzazione e la connessione di tutti i passaggi di processo – dalla rivestitura, avvolgimento, assemblaggio e riempimento fino alla formatura. Il Ministero dell'Economia, del Lavoro e del Turismo del Baden-Württemberg ha finanziato la costruzione e l'installazione dell'impianto di avvolgimento.

«Al ZDB possiamo coprire tutti i passaggi di processo per la produzione di una cella batteria. Il processo di avvolgimento è uno dei processi chiave della produzione, e l'avvolgimento è il cuore della cella batteria. Con l'impianto di avvolgimento, abbiamo ora colmato una lacuna nella catena di processo digitalizzata, rendendo la linea di produzione completa», afferma Julian Grimm, responsabile del team di ricerca presso l'Istituto Fraunhofer IPA e vicedirettore del ZDB.

Elettrodi e separatori vengono avvolti per formare la Jelly Roll

Circa una dozzina di passaggi sono necessari prima che una cella sia pronta all'uso. Nel processo di avvolgimento, l'elettrodo positivo e quello negativo, insieme a due separator, vengono arrotolati o avvolti in un avvolgimento chiamato Jelly Roll. Successivamente, si procede all'assemblaggio, durante il quale la Jelly Roll deve essere guidata con estrema precisione. Infine, l'avvolgimento viene saldato con l'elettrodo a barra inserito attraverso il foro centrale dell'avvolgimento, al fondo del contenitore.

Ma il nuovo impianto di avvolgimento per celle cilindriche non è solo una piattaforma di produzione per Jelly Rolls, bensì anche una piattaforma di ricerca per sviluppare sistemi e formati innovativi di celle e testarli in termini di qualità. «Il nostro impianto si distingue per la sua flessibilità. Con esso, siamo in grado di realizzare diversi formati di celle di varie dimensioni e design di tab, come ad esempio design senza tab, senza tab saldato. Il tab, un elemento di conduttore stretto sul lato anodo e catodo, attraverso il quale deve fluire la corrente, rappresenta il collo di bottiglia nelle celle di grandi dimensioni», spiega il ricercatore. Per le celle rotonde, la tendenza va verso formati più grandi, con diametro e altezza maggiori. L'avvolgimento e la cella rotonda risultano quindi più grandi. Il problema: più grandi sono le celle, più difficile diventa condurre corrente e calore. «Rispondiamo a questa sfida con design di tab personalizzati, come nel caso di design senza tab, dove il film conduttore in alluminio e rame funge da conduttore di corrente e calore, consentendo un trasporto superiore rispetto al tab classico», spiega Grimm. I design innovativi delle celle garantiscono l'omogeneità nelle celle cilindriche e permettono di realizzare celle di grandi dimensioni. Con celle più grandi e più attivo materiale, si può ottenere una maggiore densità energetica e, di conseguenza, una maggiore autonomia per le auto elettriche.

I dati raccolti vengono assegnati alle celle batteria

Per minimizzare gli scarti e aumentare la qualità, l'intero processo di produzione è digitalizzato e connesso. A tal fine, i sensori raccolgono dati che vengono trasmessi in tempo reale nel cloud. Le tecnologie di tracciabilità sviluppate presso l'Istituto Fraunhofer IPA consentono di associare i dati raccolti alle celle batteria prodotte. Ogni singola cella batteria prodotta è disponibile per analisi dei dati e per l'addestramento di intelligenza artificiale. In questo modo, è possibile tracciare le condizioni di produzione e come queste si relazionano alla qualità del prodotto finale. I dati vengono utilizzati per sviluppare servizi con capacità di monitoraggio, analisi e previsione. Ciò permette di migliorare il processo di produzione e di eliminare le cause di errore più rapidamente rispetto al passato.

«I design innovativi delle celle richiedono una riprogettazione e ottimizzazione dei processi di produzione, che possono essere studiati nell'impianto di avvolgimento. La combinazione di design innovativi delle celle e di approcci di produzione agili è la chiave per soddisfare le esigenze di un panorama energetico in rapido cambiamento, consentendo un'introduzione più rapida di nuove soluzioni sul mercato e aprendo la strada a tecnologie di batterie sostenibili e di alta qualità», riassume Grimm. Gli produttori e gli utilizzatori di elettrodi, separator e celle hanno anche la possibilità di testare prototipi, prodotti, componenti di celle, materiali e design presso l'impianto.