De vierkante moet rond worden

Morfologische Charakterisierung des Festkörperelektrolyts und der Komposit-Kathode. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Festkörperelektrolyt nach der Beschichtung über den Stromableiter. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Batterijen met zo veel mogelijk energie zijn vooral gefragt voor elektrische voertuigen. Het Fraunhofer IPA werkt aan vaste-stofbatterijen die met 700 wattuur per kilogram een bijna dubbele energiedichtheid moeten hebben vergeleken met huidige lithium-ionbatterijen. Digitale tweelingen moeten helpen om bestaande obstakels voor massaproductie weg te nemen.

Bij het Fraunhofer-instituut voor productie- en automatiseringstechniek IPA richt men zich op technologieën waarbij het opschalen van het labormodel naar industriële grootschalige productie haalbaar lijkt. Cruciaal is dat nieuwe batterijen met bepaalde modificaties ook op bestaande installaties geproduceerd kunnen worden. Als eindproduct moeten ronde cellen in de gangbare maat 21700 van de band rollen, die een diameter van 21 millimeter hebben en 70 millimeter lang zijn.

Fabrikanten zoals VARTA AG, een projectpartner van het Fraunhofer IPA voor batterijonderzoek, hebben zich niet zonder reden op deze cilindrische cellen geconcentreerd. Individuele zulke cellen kunnen in een batterijmodule gemakkelijker worden gecontroleerd en bij een mogelijke defect worden vervangen. Via holle ruimtes tussen de cellen kan warmte worden afgevoerd. Vaak worden de cellen nog als energie-dragers in andere toepassingen gebruikt nadat de autobatterij is uitgefaseerd. Gestandaardiseerde ronde cellen maken dat gemakkelijker.

Broos materiaal vormt uitdagingen

Vaste-stofbatterijcellen bevatten in tegenstelling tot een lithium-ionbatterij geen vloeistof als elektrolyt, maar een keramisch of sulfidisch, dus zwavelhoudend, vast-stof elektrolyt. Ook polymeer-elektrolyten zijn een optie, maar vereisen hogere bedrijfstemperaturen van boven de 60 graden Celsius. De cellen zijn tegenwoordig meestal opgebouwd als platte, rechthoekige pouchcellen. Huidige ontwikkelingen op het gebied van keramische vaste-stof-elektrolyten bij het Fraunhofer IPA richten zich op het versnellen van het sinterproces voor het keramische materiaal en het in deze stap al vormen van de gewenste geometrie voor later gebruik in de batterij. De broosheid van het materiaal maakt echter de nabewerking en het wikkelen tot een ronde cel moeilijk.

Voor gebruik in ronde cellen bieden de sulfidische vaste-stof-elektrolyten een belangrijk voordeel. Bij de juiste verwerking kunnen flexibele lagen worden gemaakt die ook bij kleine wikkeldiameters stabiel blijven. Daarnaast toont de zogenaamde Thio-LISICON-sulfide-familie, anorganische elektrolyten, veelbelovende resultaten voor de ionische geleidbaarheid bij lage temperaturen. Maar hoewel sulfidische elektrolyten uitstekende iongeleidingswaarden hebben en daarmee kunnen concurreren met organische vloeistof-elektrolyten, zijn ze momenteel veel duurder. Door het opbouwen van de juiste productiecapaciteit kan een kosteneffectieve productie van sulfidische elektrolyten worden gerealiseerd.

Tot de industriële productie van vaste-stofbatterijen is het nog een lange weg. Zo worden vaste-stofbatterijen tegenwoordig vooral met lithium als anode gebouwd, wat speciale uitdagingen met zich meebrengt voor de montageomgeving. Om te voorkomen dat het materiaal reageert met zuurstof of vocht uit de lucht, zijn naast dure droogkamerruimtes soms zelfs extra ingekapselde productieruimtes met een beschermgas zoals argon nodig. Onderzoekers van het Fraunhofer IPA onderzoeken daarom hoe vaste-stofbatterijen onder gematigde omstandigheden kunnen worden vervaardigd. »Een veelbelovende aanpak is de in-situ-afzetting van lithiummetaal. Daarbij vormen de lithium-ionen in de kathode bij de eerste laadcyclus een laag op de negatieve elektrode«, zegt Duygu Kaus van het Centrum voor Gedigitaliseerde Batterijcelproductie (ZDB). Proefseries moeten uitwijzen met welk afgeleidemateriaal de in-situ-anodenvorming het beste kan worden gerealiseerd.

Digitale tweeling ondersteunt bij ontwikkeling en optimalisatie van batterijcellen

Om te achterhalen welke van de vele parameters het meest geschikt zijn voor de productie, is het tot nu toe nodig om uitgebreide proefseries uit te voeren – en wel niet alleen in het lab, maar ook onder schaalbare industriële productieomstandigheden. Het materiaalverbruik zou daarbij aanzienlijk zijn en elke modificatie zou invloed hebben op verdere stappen in de procesketen.

»Een elegantere oplossing is de digitale tweeling. Deze ondersteunt de medewerker in de productie met behulp van zijn bewakings-, analyse- en voorspellingsmogelijkheden«, zegt Soumya Singh van het ZDB. De digitale tweeling is een virtueel beeld van afzonderlijke processtappen of hele productielijnen, dat continu wordt aangevuld met aanvullende bedrijfsgegevens. De digitale tweeling helpt ingenieurs om het toekomstige gedrag van de productie bij verschillende parameterinstellingen te simuleren en de effecten daarvan vooraf te beoordelen. Voedend met uitgebreide gegevensbronnen uit de productie, doet de digitale tweeling uitspraken over de efficiëntie van afzonderlijke processtappen, maar ook over de effecten van verschillende verwerkingsparameters op de te bereiken kwaliteit van de tussenproducten, procestijden en hun stabiliteit. Zo kan bijvoorbeeld op de computer van de operator worden bepaald hoe de bewerkingsstappen voor een elektrode eruit moeten zien, zodat deze uiteindelijk elastisch genoeg is om te worden gewikkeld.

Na de implementatie is de digitale tweeling gesynchroniseerd met de productieprocedure en wordt hij continu gevoed met actuele gegevens uit de productie. Hij bewaakt nu hoe stabiel de productie verloopt en wordt een integraal onderdeel van het kwaliteitsmanagement.