Produzione di Jelly Roll altamente flessibile, automatizzata e digitalizzata con opzioni di test

Il sistema di avvolgimento, che include anche un controllo qualità inline, consente la produzione automatizzata e digitalizzata di rotoli di gelatina in diversi design e formati. (Credito foto: Fraunhofer IPA/ foto: Rainer Bez)

Per il contatto con i collettori di corrente saldati, un robot posiziona le linguette sull'anodo e sul catodo e le unisce utilizzando un dispositivo di saldatura ad ultrasuoni. (Fonte immagine: Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez)

Il taglio delle tacche sull'anodo e sul catodo avviene con un sistema di taglio laser integrato. Le diverse possibilità di contatto possono essere combinate a piacere. (Fonte immagine: Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez)

Il serbatoio di accumulo garantisce che durante il processo di avvolgimento continuo venga sempre fornito materiale sufficiente di catodo e anodo. (Fonte immagine: Fraunhofer IPA/Foto: 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)

La qualità delle bobine viene controllata nel sistema mediante un test Hi-Pot. La precisione dimensionale della geometria dell'avvolgimento e la posizione del collettore di corrente vengono verificate tramite un'ispezione ottica inline. Le celle non conformi vengono automaticamente eliminate dalla linea. (Fonte immagine: Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez)

Le celle delle batterie sono l'elemento decisivo dell'energia nelle mobilità elettrica e in altre applicazioni – e un fattore di costo fondamentale. Per ridurre significativamente i tassi di scarto, aumentare la qualità e sviluppare design innovativi delle celle, presso il Centro per la produzione digitale di celle di batteria (ZDB) dell'Istituto Fraunhofer IPA è stata creata una linea di produzione automatizzata e digitalizzata per celle cilindriche. Un elemento chiave di questa è l'impianto per la produzione flessibile in formato e design di avvolgimenti, inclusi vari test, di acp systems.

Per un'auto elettrica, la batteria di trazione rappresenta circa il 40 percento dei costi del veicolo. La componente più costosa sono le celle della batteria, con una quota fino all'80 percento, e i formati cilindrici stanno diventando sempre più popolari. La loro produzione, che si divide grossolanamente in fasi di produzione delle elettrodi, avvolgimento e assemblaggio, riempimento dell'elettrolita e formatura, è estremamente complessa. Tassi elevati di scarto sono quindi un problema – assumendo una media conservativa del 10-15 percento, in una fabbrica da un gigawattora si producono tra 100 e 150 milioni di celle all'anno. Qui si cela un enorme potenziale di riduzione dei costi. Un altro punto di approccio per abbassare i costi sono i formati e i design innovativi delle celle rotonde. Per sfruttare le possibilità, è necessaria un'adeguamento e uno sviluppo continuo dei processi di produzione sotto aspetti economici ed ecologici.

Con processi digitalizzati e connessi verso una qualità superiore

Questo rientra tra le aree di competenza del Centro per la produzione digitale di celle di batteria (ZDB), fondato nel 2018, presso l'Istituto Fraunhofer per la tecnologia di produzione e automazione IPA. "Il nostro punto di partenza era che, attraverso automazione, digitalizzazione e connessione dell'intera catena del valore nella produzione, tramite feedback e informazioni sensoriali, è possibile ottimizzare singoli processi e identificare scarti in modo più precoce e accurato. Ciò contribuisce a aumentare significativamente la qualità delle celle e a ridurre i costi in modo percepibile", riferisce il Prof. Dr.-Ing. Kai Peter Birke, direttore di sistemi di batterie e idrogeno e di stoccaggio presso l'IPA. Per questo, nel ZDB è stata creata una catena di produzione completa, digitalizzata e connessa, per la produzione di celle cilindriche per batterie agli ioni di litio e sodio. Essa permette di ottimizzare i processi di produzione esistenti e di adattarli a nuovi formati di celle fino a 46xx, oltre a produrre prototipi in piccole serie fino a 1.000 pezzi.

Avvolgimento inline flessibile in formato e design di Jelly Rolls

Un elemento centrale di questa linea di produzione è l'impianto di avvolgimento sviluppato insieme al costruttore di macchine e impianti acp systems, per la produzione flessibile in formato e design di Jelly Rolls. "Abbiamo anche parlato con altri costruttori di impianti riguardo a questa sfida, ma abbiamo constatato che la flessibilità non era sufficiente per rispondere alle nostre esigenze specifiche e per avviare uno sviluppo congiunto", ricorda Kai Peter Birke. Le richieste includevano, da un lato, che la macchina fosse in grado di avvolgere inline Jelly Rolls per celle molto piccole così come per celle molto grandi. Dall'altro, dovevano essere integrate diverse soluzioni per il contatto inline/trasmissione di corrente (tabs), con tabs saldati e con design senza tabs (notched, con incisioni laser) e continuous (senza incisioni laser). Fondamentale era che le soluzioni di contatto potessero essere combinate liberamente. Inoltre, l'impianto doveva includere varie opzioni di test per il controllo qualità dell'avvolgimento e poter lavorare con tutti i materiali comunemente usati per celle rotonde ad alte prestazioni.

Concetto modulare di impianto per le diverse fasi di processo

È stato realizzato secondo un concetto modulare con quattro stazioni complessive. Le bobine con il film dell'anodo e del catodo si trovano nel primo modulo e vengono inizialmente srotolate in parallelo, definendo le rispettive posizioni. Durante tutte le fasi del processo, controlli di bordo assicurano che i film siano sempre guidati con precisione in posizione.

Nella prima stazione avviene anche il contatto con i conduttori di corrente saldati. A questo scopo, un robot posiziona i tabs sull'anodo e sul catodo, che vengono poi collegati tramite una testa di saldatura ad ultrasuoni. Il secondo modulo include un sistema di taglio laser per il notching, che può lavorare sia sull'anodo che sul catodo. Inoltre, è integrato un dispositivo di deviazione che sposta le strisce di film lateralmente nel piano di avvolgimento, in modo che possano scorrere senza contatto l'una sopra l'altra nel terzo modulo. Qui si trovano altri due bobine con i film separatori. Il processo di avvolgimento vero e proprio inizia con l'inserimento dei separatori nel nucleo dell'avvolgimento. Dopo alcune rotazioni, il film dell'anodo viene spinto dall'alto tra i due separatori. Una pinza spinge quindi anche il film del catodo nel nucleo dell'avvolgimento. Una volta completato, inizia il processo di avvolgimento. Nell'ultimo modulo, le celle vengono sottoposte prima a un test di alta tensione, il cosiddetto test Hi-Pot, per escludere cortocircuiti futuri nella cella. Segue un'ispezione ottica inline, che verifica la geometria dell'avvolgimento e la posizione dei conduttori di corrente. Le celle che superano entrambi i test vengono posizionate in un supporto e inviate alla fase successiva di produzione. Le celle non conformi vengono automaticamente scartate. "Attraverso una collaborazione molto stretta, aperta e diretta con acp, abbiamo ottenuto una macchina che risponde esattamente alle nostre aspettative. Con questa, abbiamo creato una base ottimale che continueremo a sviluppare con una linea per la dosatura dell'elettrolita", osserva Kai Peter Birke.

Adattamento ottimale alle esigenze individuali grazie alla modularità

Vantaggi offre anche la linea di avvolgimento progettata secondo il principio del sistema modulare, anche per la produzione in serie di celle cilindriche. Permette di realizzare avvolgimenti con diametro fino a 60 mm e lunghezza massima di 110 mm. La velocità di avvolgimento può arrivare fino a 2,5 metri al secondo. Le soluzioni per il contatto e le opzioni di test possono essere adattate liberamente alle esigenze specifiche dell'azienda. Inoltre, dopo fasi di processo in cui possono formarsi particelle, come la saldatura ad ultrasuoni e il taglio laser, è possibile integrare in modo compatto un ulteriore processo di pulizia secco e senza residui.