Gecentraliseerde en duurzame productie van batterijcellen

Innovatives Forschungs- und Entwicklungsplattform: Wickelanlage mit flexiblen Formaten und Designs. © Fraunhofer IPA/Rainer Bez / Innovative research and development platform: winding system featuring flexible formats and design. © Fraunhofer IPA/Rainer Bez

Jelly Rolls en cilindrische batterijcel (21700 ronde cel in tabloos continu ontwerp) geproduceerd bij Fraunhofer IPA. © Fraunhofer IPA/Rainer Bez

Flexibiliteit in formaat en ontwerp bij cilindrische batterijcellen (ronde cellen). © Fraunhofer IPA / Flexibiliteit in formaat en ontwerp voor cilindrische batterijcellen (ronde cellen). © Fraunhofer IPA

De verdere ontwikkeling van de bestaande opslagsystemen is een essentiële voorwaarde voor de energietransitie. Het Centrum voor Gedigitaliseerde Batterijcelproductie (ZDB) aan het Fraunhofer-Instituut voor Productietechniek en Automatisering IPA heeft samen met acp systems AG een format- en ontwerpflexibele wikkelinstallatie voor cilindrische batterijcellen in gebruik genomen. Deze dient als innovatieve onderzoeks- en productiesplatform om nieuwe celformaten en -componenten, evenals tab-ontwerpen, te testen. Het maakt de ontwikkeling mogelijk van groottformatige cellen voor toekomstige batterijtechnologieën. De wikkelinstallatie is wereldwijd uniek en ingebed in een geautomatiseerde en gedigitaliseerde infrastructuur voor de productie van batterijcellen.

Batterijen voor elektrische auto's bestaan uit meerdere modules waarin een groot aantal batterijcellen is ingebouwd. Deze vormen het hart van elke batterij en dragen ook het grootste deel bij aan de toegevoegde waarde. Cilindrische batterijcellen zijn de afgelopen jaren steeds populairder geworden in de automobielindustrie, waarbij de trend uitgaat naar grotere celformaten. Het ZDB van het Fraunhofer IPA heeft in nauwe samenwerking met acp systems AG een wikkelinstallatie voor cilindrische batterijcellen, ook wel ronde cellen genoemd, ontwikkeld, opgebouwd en nu in gebruik genomen. Deze dient als veelzijdig onderzoeks- en productiesplatform om nieuwe celformaten en tab-ontwerpen, evenals geavanceerde methoden voor kwaliteitsverbetering en procesoptimalisatie, in korte tijd te testen. De nieuwe wikkelinstallatie voltooit een in Europa unieke productielijn voor de volledige montage van batterijcellen voor lithium-ion- en toekomstige batterijtechnologieën, zoals natrium-ionbatterijen. Het bijzondere aan de productielijn is de digitalisering en netwerking van alle processtappen – van coating, wikkelen, assembleren en vullen tot formatie. Het Ministerie van Economie, Arbeid en Toerisme Baden-Württemberg heeft de bouw en installatie van de wikkelinstallatie gefinancierd.

»Bij het ZDB kunnen we alle processtappen voor de productie van een batterijcel afdekken. Het wikkelproces is een van de kernprocessen van de productie, waarbij het wikkelen het hart vormt van de batterijcel. Met de wikkelinstallatie hebben we nu een gat in de doorlopende gedigitaliseerde procesketen gedicht, waardoor de productielijn volledig is«, zegt Julian Grimm, leider van het onderzoeksteam bij Fraunhofer IPA en plaatsvervangend centrumleider van het ZDB.

Elektroden en separatoren worden gewikkeld tot de Jelly Roll

Ongeveer een dozijn stappen zijn nodig voordat een cel klaar is voor gebruik. Tijdens het wikkelproces worden de positieve en negatieve elektrode samen met twee separatoren tot een wikkel, de zogenaamde Jelly Roll, opgerold of gewikkeld. Vervolgens volgt de montage, waarbij de Jelly Roll zeer precies moet worden geleid. Daarna wordt via een stalen elektrode die door het centrale gat van de wikkel wordt ingebracht, de wikkel gelast met de onderkant van de behuizing.

Maar de nieuwe wikkelinstallatie voor cilindrische batterijcellen is niet alleen een productielijn voor Jelly Rolls, maar dient ook als onderzoeksplatform om innovatieve cellensystemen en -formaten te ontwikkelen en de kwaliteit ervan te testen. »Het unieke aan onze installatie is de flexibiliteit. Hiermee kunnen we verschillende celformaten in diverse groottes en tab-ontwerpen realiseren, zoals tabless ontwerpen zonder gelaste tab. De tab, een smal afgeleide element aan de anode en de kathode, waarlangs de stroom moet lopen, is de knelpunt in groottformatige cellen«, legt de onderzoeker uit. Bij ronde cellen is er een trend naar grotere formaten, die qua diameter en hoogte groter zijn. Wikkels en ronde cellen worden dus groter. Het probleem: hoe groter de cellen, hoe moeilijker het is om de stroom en warmte af te voeren. »Op deze uitdaging kunnen we reageren met individuele tab-ontwerpen, waarbij bijvoorbeeld in een tabless ontwerp de dragerfolie van aluminium en koper dient als stroom- en warmtegeleider en een hogere afvoer mogelijk maakt dan de klassieke tab«, verduidelijkt Grimm. Innovatieve cellenontwerpen zorgen voor homogeniteit in cilindrische cellen en maken zo groottformatige cellen mogelijk. Door grotere cellen met meer actief materiaal kan een hogere energiedichtheid en dus een grotere actieradius van elektrische auto's worden gerealiseerd.

Verzamelde gegevens worden aan de batterijcellen gekoppeld

Om afval te minimaliseren en de kwaliteit te verhogen, is het gehele productieproces gedigitaliseerd en verbonden. Daartoe verzamelen sensoren gegevens die in realtime in de cloud samenkomen. Traceability-technologieën ontwikkeld door Fraunhofer IPA maken het mogelijk om de verzamelde gegevens aan de geproduceerde batterijcellen toe te wijzen. Elke afzonderlijke geproduceerde batterijcel staat klaar voor data-analyse en het trainen van kunstmatige intelligentie. Zo kan worden achterhaald onder welke omstandigheden ze zijn vervaardigd en hoe ze zich verhouden tot de behaalde productkwaliteit. De gegevens worden gebruikt voor de ontwikkeling van services met toezicht-, analyse- en voorspellende functies. Hierdoor wordt het mogelijk om het productieproces te verbeteren en foutbronnen sneller dan voorheen te elimineren.

»De innovatieve cellenontwerpen vereisen een herontwerp en optimalisatie van de productieprocessen, die op de wikkelinstallatie kunnen worden onderzocht. De combinatie van innovatief cellenontwerp en flexibele productiebenaderingen is de sleutel om te voldoen aan de eisen van een snel veranderend energielandschap, snellere marktintroducties van nieuwe oplossingen mogelijk te maken en de weg te effenen naar duurzame, kwalitatief hoogwaardige batterijtechnologieën«, vat Grimm samen. Ook krijgen fabrikanten en gebruikers van elektroden, separatoren en cellen de mogelijkheid om hun prototypes, producten, celcomponenten, materialen en ontwerpen op de installatie te testen.