Samenstellen van batterijcellen – digitaal en veilig

Assemblage van batterijcellen met een intelligente werkstukdrager voor de gedigitaliseerde productie. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Het kernstuk van elke elektrische auto is de batterij. Deze moet compact en zo krachtig mogelijk zijn – en vooral veilig. Dit stelt grote eisen aan de productie. Hoe die er in de toekomst uit zou kunnen zien, laten onderzoekers van het Fraunhofer IPA zien in het centrum voor gedigitaliseerde batterijcelproductie (ZDB).

Een modern batterijsysteem koppelt meerdere batterijmodules, waarin een groot aantal batterijcellen is ingebouwd. Afhankelijk van de fabrikant hebben deze cellen verschillende formaten. De pilotinstallatie in het ZDB bij het Fraunhofer-Instituut voor productie- en automatiseringstechniek IPA in Stuttgart is ontworpen voor cilindrische celformaten.

In het binnenste van een batterijcel bevinden zich de elektroden. Ze bestaan uit dunne, gecoate folies die samen met een separator tot een rol worden gewikkeld, de zogenaamde "Jelly Roll". Al een klein defect of een stofdeeltje dat naar binnen komt, kan de prestaties aanzienlijk verminderen of zelfs leiden tot een kortsluiting en daarmee tot brand. Daarom is bij het Fraunhofer IPA een laboratorium ontstaan met speciale reinigings- en droogomstandigheden, ondersteund door de subsidie van de deelstaat Baden-Württemberg. Het is uitgerust met een installatie die een volledige montage van batterijcellen mogelijk maakt. Het bijzondere is de digitalisering en netwerking van alle processtappen. Zo beschikken de onderzoekers over een in Europa unieke productielijn waarmee ze zowel potentiële celproducenten als machine- en installatiebouwers kunnen ondersteunen bij de ontwikkeling en automatisering van processen, evenals bij het optimaliseren van de montage op betrouwbaarheid en doorvoer. Het spectrum varieert van de analyse en studie van kritische processtappen tot het gebruik van digitale tools en prototyping.

Procesbewaking voor een optimale oplossing

Ongeveer een dozijn stappen zijn nodig voordat een cel klaar is voor gebruik, en elke stap is cruciaal voor de kwaliteit ervan en voor die van het hele batterijsysteem. Aan het begin staat de coating van de positieve en negatieve elektrode, die vervolgens samen met een separator tot een rol wordt gewikkeld, de zogenaamde "Jelly Roll". Daarna volgt de montage, de zogenaamde assemblage. Daarbij moet de Jelly Roll uiterst nauwkeurig en zo min mogelijk zonder contact met de wand van de beker worden geleid. Vervolgens wordt via een stalen elektrode die door het centrale gat van de rol wordt ingebracht, de rol met de bodem van de beker gelast. Om te voorkomen dat de rol verschuift of losraakt, wordt op een bepaalde plek een in vorm en diepte bepaalde ringvormige insnoering aangebracht, een ringvormige verdikking.

De daaropvolgende stap, het vullen met vloeibaar elektrolyt, is bijzonder delicaat en vereist een omgeving zonder zuurstof en met zo min mogelijk vocht. De benodigde apparatuur staat daarom in een hermetisch afgesloten kast, een zogenaamde "glovebox", waarin men van buitenaf met ingebouwde handschoenen kan werken. "Bij het proces dat onder argon-atmosfeer plaatsvindt, moet een exacte hoeveelheid vloeibaar elektrolyt uiterst precies en zonder overloop worden gevuld, omdat dit invloed heeft op de prestaties en levensduur van de cel," legt Matthias Burgard van het Fraunhofer IPA uit. Dit is des te moeilijker omdat de vloeistof slechts langzaam doordringt, doordat de poriënruimtes klein zijn.

Tot slot wordt een deksel met een bepaalde bevestigingskracht geplaatst, dat door een omvorming van de rand van de beker wordt vastgezet en zo de cel afsluit. Vanwege de beoogde betrouwbaarheid van de processen mag zich aan de buitenkant geen veiligheidskritisch elektrolyt bevinden, maar toch wordt de gemonteerde cel vóór voltooiing nog gereinigd. Tot slot wordt deze nog omhuld met een beschermslang en voorzien van een label.

Weten uit in de cloud samenlopende productiegegevens – nieuwe kennis ontstaat

Om afval te minimaliseren en de kwaliteit te verhogen, hebben onderzoekers onder leiding van Florian Maier en Ozan Yesilyurt van het Fraunhofer IPA het volledige productieproces gedigitaliseerd en verbonden. De productie wordt min of meer transparant. Daartoe verzamelen talrijke sensoren op alle apparaten gegevens die in realtime in de cloud samenkomen. Door ontwikkelde traceability-technologieën van het Fraunhofer IPA kunnen de verzamelde gegevens worden gekoppeld aan de geproduceerde batterijcellen. Het slimme is dat elke geproduceerde batterijcel als digitale tweeling klaarstaat voor data-analyse en het trainen van kunstmatige intelligentie. Zo kan worden achterhaald onder welke omstandigheden ze is vervaardigd en hoe ze zich verhoudt tot de behaalde productkwaliteit. Onderzoekers zoals Soumya Singh orchestreren deze gegevens en gebruiken ze voor de ontwikkeling van diensten met bewakings-, analyse- en voorspellingsmogelijkheden. Daardoor wordt het mogelijk om het productieproces voortdurend te verbeteren en fouten sneller dan voorheen te verhelpen.

Bovendien helpen de tijdens de productie verzamelde gegevens bij het ontwikkelen van betere voorspellingsmodellen voor het verouderingsgedrag van batterijcellen tijdens gebruik, het beoordelen van verdere toepassingsmogelijkheden voor gebruikte batterijcellen en het verbeteren van de efficiëntie van recyclingprocessen. Andere benaderingen om de batterijproductie te digitaliseren en datagedreven te optimaliseren, worden momenteel door de betrokken wetenschappers samengevat in het boek "Handbook on Smart Battery Cell Manufacturing". Het moet nog dit jaar verschijnen.