Montaż ogniw baterii – cyfrowo i bezpiecznie

Montaż ogniw baterii z inteligentnym uchwytem roboczym do cyfrowej produkcji. © Fraunhofer IPA/zdjęcie: Rainer Bez

Podstawą każdego samochodu elektrycznego jest bateria. Powinna być kompaktowa i jak najbardziej wydajna – a przede wszystkim bezpieczna. Stawia to duże wymagania wobec produkcji. Jak mogą wyglądać w przyszłości, pokazują naukowcy z Fraunhofer IPA w Centrum Produkcji Zdigitalizowanych Komórek Baterii (ZDB).

Nowoczesny system baterii łączy kilka modułów baterii, w których zamontowanych jest wiele ogniw baterii. W zależności od producenta, te ogniwa mają różne formaty. Pilotażowa linia w ZDB w Instytucie Fraunhofer ds. Technologii Produkcji i Automatyzacji IPA w Stuttgarcie jest przystosowana do cylindrycznych formatów ogniw.

Wewnątrz ogniwa baterii znajdują się elektrody. Składają się one z cienkich, powlekanych folii, które razem z separatorami są zwijane w spiralę. Już niewielka wada lub ziarenko kurzu dostające się do wnętrza mogą znacząco osłabić wydajność lub nawet doprowadzić do zwarcia i pożaru. Dlatego w Fraunhofer IPA powstało laboratorium z specjalnymi warunkami czystości i suszenia. Jest ono wyposażone w technologię umożliwiającą pełny montaż ogniw baterii. Co jest wyjątkowe, to cyfryzacja i sieciowanie wszystkich etapów procesu. Dzięki temu naukowcy mają do dyspozycji unikalną w Europie linię produkcyjną, która wspiera zarówno potencjalnych producentów ogniw, jak i producentów maszyn i urządzeń w rozwoju i automatyzacji procesów oraz optymalizacji montażu pod kątem niezawodności i wydajności. Zakres obejmuje od analizy i badania krytycznych etapów procesu, przez zastosowanie narzędzi cyfrowych, aż po budowę prototypów.

Nadzór nad procesem dla optymalnego rozwiązania

Do przygotowania ogniwa do użycia potrzebnych jest około tuzina etapów, z których każdy jest kluczowy dla jakości zarówno samego ogniwa, jak i całego systemu baterii. Na początku następuje powlekanie elektrod dodatnich i ujemnych, które następnie są zwijane razem z separatorem w spiralę, tzw. „Jelly Roll”. Kolejnym etapem jest montaż, czyli składanie. Do tego konieczne jest precyzyjne prowadzenie spiralnej struktury, tak aby nie dotykała ścianek pojemnika. Następnie, za pomocą pręta wprowadzonego przez środkowe otwory spirali, zwój jest zgrzewany z dnem pojemnika. Aby zapobiec przesuwaniu się lub odklejaniu spirali, w określonym miejscu wprowadza się pierścień z wyprofilowanym rowkiem, który pełni funkcję wklęsłej obręczy.

Następny, szczególnie wrażliwy etap, to napełnianie elektrolitu, które wymaga środowiska bez tlenu i z minimalną wilgotnością. Niezbędne urządzenia znajdują się w hermetycznym pudełku, tzw. „Glovebox”, w którym można obsługiwać je przez rękawice zamontowane z zewnątrz. „Podczas procesu przebiegającego w atmosferze argonu, konieczne jest precyzyjne i bez rozlewania się napełnianie określoną ilością płynnego elektrolitu, ponieważ ma to wpływ na wydajność i żywotność ogniwa”, wyjaśnia Matthias Burgard z Fraunhofer IPA. Jest to szczególnie trudne, ponieważ płyn powoli wnika do porów, które są wąskie.

Na koniec wkłada się element pokrywowy z określoną siłą docisku, który jest mocowany przez odkształcenie krawędzi pojemnika, zamykając w ten sposób ogniwo. Ze względu na wymaganą niezawodność procesów, na zewnątrz nie powinno znajdować się żadne krytyczne dla bezpieczeństwa elektrolit, mimo to, przed ukończeniem montażu, ogniwo jest jeszcze czyszczone. Na koniec nakłada się osłonę ochronną i oznakowuje.

Wiedza z danych produkcyjnych zbieranych w chmurze – powstaje nowa wiedza

Aby zminimalizować odpad i zwiększyć jakość, naukowcy z Fraunhofer IPA, Florian Maier i Ozan Yesilyurt, zdigitalizowali i połączyli cały proces produkcji. Produkcja jest niejako „szpiegowana”. Liczne czujniki na wszystkich urządzeniach zbierają dane, które w czasie rzeczywistym trafiają do chmury. Technologie śledzenia opracowane w Fraunhofer IPA pozwalają na przypisanie zebranych danych do wyprodukowanych ogniw. Co ciekawe, każde pojedyncze ogniwo, które jest produkowane, funkcjonuje jako cyfrowy bliźniak, dostępny do analizy danych i trenowania sztucznej inteligencji. Dzięki temu można śledzić, w jakich warunkach zostało wyprodukowane i jak się ma do osiągniętej jakości produktu. Naukowcy, tacy jak Soumya Singh, koordynują te dane i wykorzystują je do rozwoju usług z funkcjami nadzoru, analizy i prognozowania. Umożliwia to ciągłe ulepszanie procesu produkcji i szybsze usuwanie źródeł błędów.

Ponadto dane zebrane podczas produkcji pomagają w opracowaniu lepszych modeli przewidywania starzenia się ogniw podczas użytkowania, ocenie kolejnych zastosowań używanych ogniw oraz poprawie efektywności recyklingu. Inne podejścia do cyfryzacji produkcji baterii i optymalizacji opartej na danych są obecnie opracowywane przez naukowców w ramach książki „Handbook on Smart Battery Cell Manufacturing”. Ma się ukazać jeszcze w tym roku.