Hochflexibele, geautomatiseerde en gedigitaliseerde Jelly Roll-productie met testopties

Het wikkelsysteem, dat ook beschikt over een inline kwaliteitscontrole, maakt de geautomatiseerde en gedigitaliseerde productie van jelly rolls in verschillende ontwerpen en formaten mogelijk. (Fotocredit: Fraunhofer IPA/ foto: Rainer Bez)

Voor het contact maken met gelaste stroomverdelers plaatst een robot de tabs op de anode en kathode, die vervolgens worden verbonden door middel van ultrasoon lassen. (Beeldbron: Fraunhofer IPA/foto: Rainer Bez) / For contacting with welded current collectors, a robot places the tabs on the anode and cathode and joins them using an ultrasonic welding device. (Photo credit: Fraunhofer IPA/ photo: Rainer Bez)

Het notchen van de anode en kathode gebeurt met een geïntegreerd lasersnijtsysteem. De verschillende contactmogelijkheden kunnen naar wens worden gecombineerd. (Beeldbron: Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez)

De buffertank zorgt ervoor dat tijdens het continue wikkelproces altijd voldoende kathode- en anodemateriaal wordt aangevoerd. (Beeldbron: 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)

De kwaliteit van de spoelen wordt in de installatie gecontroleerd met behulp van een Hi-Pot-test. De maatvoering met betrekking tot de spoelgeometrie en de positie van de stroomgeleider wordt gecontroleerd door een optische inline-inspectie. N.i.O.-cellen worden automatisch uit de lijn gehaald. (Foto: Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez)

Accu-cellen zijn in de elektromobiliteit en bij andere toepassingen het bepalende element van de energieopslag – en een belangrijke kostenfactor. Om de afvalpercentages aanzienlijk te verminderen, de kwaliteit te verhogen en innovatieve celontwerpen te ontwikkelen, is aan het Centrum voor digitale batterijcelproductie (ZDB) van het Fraunhofer IPA een geautomatiseerde en gedigitaliseerde productielijn voor cilindrische batterijcellen ontstaan. Een kernelement daarin is de installatie voor de format- en designflexibele, volledig automatische productie van wikkelingen inclusief verschillende testmogelijkheden van acp systems.

Bij een elektrische auto bedraagt de tractiebatterij ongeveer 40 procent van de voertuigkosten. De duurste component daarin zijn met tot 80 procent de batterijcellen, waarbij cilindrische celformaten steeds populairder worden. De productie ervan, die grofweg onderverdeeld kan worden in de stappen elektrodenfabricage, wikkelen en assembleren, elektrolyt vullen en formatie, is uiterst complex. Hoge afvalpercentages vormen daarom een probleem – bij conservatief aangenomen tien tot vijftien procent gaat het in een gigawattuur-fabriek om tussen de 100 en 150 miljoen cellen per jaar. Hier ligt dus enorm potentieel voor kostenreductie. Een andere aanpak voor kostenbesparing zijn innovatieve celformaten en -ontwerpen bij ronde cellen. Om de mogelijkheden te benutten, is een aanpassing en verdere ontwikkeling van de productieprocessen onder economische en ecologische aspecten noodzakelijk.

Met gedigitaliseerde, verbonden processen naar hogere kwaliteit

Dit behoort tot de taken van het in 2018 opgerichte Centrum voor digitale batterijcelproductie (ZDB) van het Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA. “Ons uitgangspunt was dat door automatisering, digitalisering en verbinding van de gehele waardeketen in de productie via terugkoppelingen en sensorische informatie individuele processen geoptimaliseerd kunnen worden en afval eerder en beter geïdentificeerd kan worden. Dit draagt bij aan een significante verhoging van de kwaliteit van de cellen en merkbare kostenreductie,” vertelt Prof. Dr.-Ing. Kai Peter Birke, directeur voor batterij- en waterstofsystemen en opslag bij het IPA. In het ZDB is daarvoor een volledige, gedigitaliseerde en verbonden productieketen ontstaan voor de productie van cilindrische cellen voor lithium-ion- en natrium-ionbatterijen. Deze maakt het mogelijk om de productieprocessen van bestaande cellen te optimaliseren en aan te passen voor nieuwe celformaten tot 46xx, evenals het produceren van bijbehorende prototypes in kleine series tot 1.000 stuks.

Format- en designflexibel inline wikkelen van Jelly Rolls

Een kernstuk van deze productielijn is de samen met de machine- en installatiebouwer acp systems ontwikkelde wikkelinrichting voor de format- en designflexibele productie van Jelly Rolls. “Over deze opdracht hebben we ook met andere machinebouwers gesproken, maar we moesten constateren dat de flexibiliteit niet aanwezig was om op onze specifieke eisen en wensen in te gaan en een gezamenlijke ontwikkeling te initiëren,” herinnert Kai Peter Birke zich. De eisen omvatten enerzijds dat de machine in staat moet zijn om Jelly Rolls voor heel kleine batterijen net zo inline te wikkelen als voor zeer grote. Anderzijds moesten verschillende oplossingen voor de inline contactering/stroomafvoer (tabs), met gelaste tabs evenals tabless notched (met laserinkeping) en tabless continuous (zonder laserinkeping) ontwerp, geïntegreerd worden. Belangrijk daarbij was dat de contactoplossingen willekeurig gecombineerd kunnen worden. Bovendien moest de installatie verschillende testopties bevatten voor kwaliteitscontrole van de wikkelingen en alle gangbare materialen voor hoogvermogen ronde cellen kunnen verwerken.

Modulair installatieconcept voor de verschillende processtappen

Het is gerealiseerd in een modulair installatieconcept met in totaal vier stations. De spoelen met de anode- en kathodemateriaal bevinden zich in de eerste module en worden eerst parallel naast elkaar afgewikkeld. Tijdens de gehele processtappen zorgen baanrandbesturingen ervoor dat de folies altijd exact in positie geleid worden.

In de eerste station vindt ook de contactering plaats met gelaste stroomafvoerders. Hiervoor legt een robot de tabs op de anode en kathode, die vervolgens verbonden worden met een ultrasoonlaserkop. De tweede module bevat een lasersnijsysteem voor het notchen, waarmee zowel de anode als de kathode bewerkt kunnen worden. Daarnaast is een omkeerinrichting geïntegreerd, waarmee de foliebahnen zijwaarts in de wikkellijn verplaatst worden, zodat ze contactvrij boven elkaar in de derde module lopen. Hier bevinden zich nog twee spoelen met de separatorfolie. Het daadwerkelijke wikkelproces begint met het plaatsen van de separators in de wikkelkern. Na enkele omwentelingen wordt de anodemateriaal van boven tussen de twee separators geschoven. Een grijper duwt vervolgens de kathodemateriaal mee in de wikkelkern. Zodra dit gebeurd is, start het wikkelproces. In de laatste module ondergaan de wikkelingen eerst een hoogspanningsproef, de zogenaamde Hi-Pot-test, om latere kortsluitingen in de cel uit te sluiten. Daarna volgt een optische inline-inspectie, waarbij de maatvastheid van de cel met betrekking tot de wikkelgeometrie en stroomafvoerders gecontroleerd wordt. Cellen die beide tests doorstaan, worden in een werkstukdrager geplaatst en naar de volgende productiefase geleid. N.i.O.-cellen worden automatisch uitgesorteerd. “Door de zeer nauwe en open, maar ook directe en eenvoudige samenwerking met acp hebben we een machine gekregen die precies aan onze wensen voldoet. Daarmee hebben we een optimale basis gelegd, die we verder ontwikkelen met een installatie voor de elektrolyt-dosering,” merkt Kai Peter Birke op.

Optimale afstemming op individuele eisen door modulariteit

Voordelen biedt de volgens het bouwstenenprincipe ontworpen wikkelinrichting ook voor de serieproductie van cilindrische batterijen. Ze maakt het mogelijk om wikkelingen te produceren met een diameter tot 60 mm en een lengte tot maximaal 110 mm. De wiksnelheid kan oplopen tot 2,5 meter per seconde. De oplossingen voor de contactering en de testopties kunnen naar wens aangepast worden aan de specifieke eisen van het bedrijf. Bovendien kan na processtappen waarbij deeltjes kunnen ontstaan, zoals ultrasoonlassen en lasersnijden, een extra droge en stofvrije reinigingsprocedure ruimtebesparend geïntegreerd worden.