Produkcja ogniw baterii stawia wysokie wymagania wobec czystego pomieszczenia

Produkcja ogniw baterii stawia wysokie wymagania wobec czystego pomieszczenia

Wkroczenie na granice fizyki: produkcja nowej generacji akumulatorów do samochodów elektrycznych dopuszcza maksymalną wilgotność powietrza na poziomie 2 procent

Od około dwudziestu lat na rynku dostępne są pojazdy z napędem elektrycznym. Fakt, że mimo ich efektywności energetycznej i ekologicznej nie zdobyły jeszcze szerokiego uznania, głównie wynika z ograniczonego zasięgu pojazdów elektrycznych: w dostępnych dotąd akumulatorach można przechowywać i przewozić jedynie stosunkowo niewielkie ilości energii. Aby umożliwić samochodom elektrycznym pokonywanie dłuższych tras, zatem komórki energetyczne muszą być lżejsze i bardziej trwałe. Volkswagen i Varta Microbattery założyły więc wspólne przedsiębiorstwo badawcze, aby zbadać i zwiększyć wydajność litowo-jonowych akumulatorów do zastosowań w pojazdach. Jednak produkcja tych wrażliwych ogniw wymaga także wysokich standardów środowiska produkcyjnego. Budowniczy systemów Nerling musiał pójść do granic fizycznie możliwego i opracować czystą izbę z utrzymaniem stałej wilgotności powietrza na poziomie maksymalnie 2 procent.

?Zazwyczaj wilgotność względna dla czystych pomieszczeń wynosi od 40 do 60 procent i mieści się w zakresie komfortu dla człowieka?, wyjaśnia Olaf Nerling, dyrektor firmy Nerling Systemräume GmbH. W branży motoryzacyjnej jednak wymaga się już 35 procent, aby wykluczyć ryzyko korozji lotniczej spowodowanej wilgotnością. Przy obróbce drobno mielonych substancji czynnych w przemyśle farmaceutycznym dopuszcza się nawet tylko 10 procent wilgotności względnej. ?Najwyższe wymagania pochodzą jednak z dziedziny elektrotechniki?, relacjonuje Nerling. ?W przypadku produkcji litowo-jonowych ogniw w firmie badawczej Volkswagen Varta Microbattery GmbH & Co KG wymaga się ekstremalnej suchości przy wartościach wilgotności względnej nieprzekraczających 2 procent.?

Wilgotność podczas produkcji pogarsza wydajność akumulatorów

Celem współpracy między Volkswagenem a Varta Microbattery jest poprawa niezawodności, trwałości i gęstości energii akumulatorów do pojazdów elektrycznych poprzez rozwój własnych komórek litowo-jonowych. ?Naszą wizją jest, aby poprzez połączenie wielu, nawet małych innowacji, uczynić Niemcy – zwłaszcza w porównaniu z rynkiem azjatyckim – konkurencyjnym miejscem produkcji na arenie międzynarodowej?, mówi prof. dr Werner Schreiber, dyrektor firmy badawczej Volkswagen Varta Microbattery GmbH & Co. KG.

Podczas produkcji takich ogniw surowce używane są narażone na wpływ środowiska. ?Pastę do elektrod nanosimy na metalowe folie nośne, następnie suszymy, kalandrujemy i tniemy?, wyjaśnia Schreiber podstawową zasadę produkcji. ?Te folie elektrodowe są następnie zwijane razem z separatorami. Zwijanie elektrod tworzy rdzeń ogniwa.? Jednakże, jeśli chemikalia podczas obróbki w walcowni (kalandrze) są narażone na wilgoć, zmieniają swoje właściwości. ?Pomieszczenie produkcyjne musi być więc ekstremalnie suche, ponieważ w przeciwnym razie jakość i niezawodność ogniwa ulegną pogorszeniu?, mówi Schreiber. ?Dodatkowo, żywotność baterii skraca się, jeśli podczas procesu produkcyjnego była narażona na zbyt wysoką wilgotność powietrza.?
Adsorpcyjna suszarka jako nowa technika klimatyzacji

Ponieważ konwencjonalne systemy klimatyzacji nie są w stanie osiągnąć tak niskiej wilgotności powietrza na poziomie maksymalnie 2 procent, Nerling wraz z partnerem kooperacyjnym zastosował jeszcze stosunkowo nową metodę suszenia adsorpcyjnego. Odwilżanie odbywa się tutaj za pomocą wirnika zbudowanego z falistej struktury z włókna szklanego, zawierającego sylikat jako sorbent. ?Procesowe powietrze jest dmuchane przez wirnik, oddając wilgoć sorbentowi, a następnie przepływa jako suche powietrze do czystej komory?, wyjaśnia dyrektor. ?Dzięki obrotowi wirnika do oddzielonego obszaru wprowadza się gorące powietrze, które usuwa zgromadzoną wilgoć z wirnika i odprowadza ją na zewnątrz.?

Kolejnym wyzwaniem dla stałego odwilżania powietrza było ustalenie dokładnego poziomu wilgotności. ?Tutaj wchodzimy w granice fizycznie możliwego?, mówi Nerling. ?Typowe czujniki nie są w stanie wykryć tak niskich wartości jak 2 procent wilgotności względnej czy mniej.? Czujniki wilgotności musiałyby więc wykrywać pojedyncze molekuły wody. Dlatego zastosowano inną technikę pomiarową: wilgotność w czystej komorze jest teraz mierzona za pomocą specjalnych czujników punktu rosy. Wilgotność względna 2 procent odpowiada temperaturze punktu rosy na poziomie -30°C. ?Dzięki tej alternatywnej metodzie pomiaru można określić suchość powietrza do punktu rosy nawet -90°C?, mówi Nerling. ?W kolejnym projekcie spróbujemy po raz pierwszy osiągnąć w ten sposób wilgotność względną poniżej 1 procenta lub punkt rosy na poziomie -60 stopni.?

Kompleksowe rozwiązanie z dźwigiem

Pomieszczenie czyste o wymiarach 15,5 x 5,6 metra zostało zmontowane w hali firmy badawczej Volkswagen Varta Microbattery w Ellwangen, w warunkach produkcyjnych, i połączone z istniejącym już suchym pomieszczeniem za pomocą drzwi połączeniowych. Dodatkowe wymagania obejmowały temperaturę 20°C i czystość zgodną z klasą ISO 8. ?Oprócz tego, oprócz kosztów, ważne były także krótkie terminy dostaw i terminowość, ponieważ musieliśmy dotrzymać terminów dostawy i instalacji kolejnych urządzeń?, wyjaśnia Schreiber.

Decyzję o zleceniu prac niemieckiemu wykonawcy systemów Nerling podjęto głównie ze względu na jego rozległą wiedzę we wszystkich dziedzinach. Na przykład w czystym pomieszczeniu potrzebny był dźwig o udźwigu 10 ton, który umożliwiłby podniesienie walca kalandru do celów rewizyjnych. ?Firma Nerling była jedynym dostawcą, który mógł dostarczyć gotowe rozwiązanie obejmujące czystą izbę, klimatyzację i dźwig?, uzasadnia Schreiber decyzję. Ponieważ walec kalandru ma największe rozmiary spośród elementów w czystej izbie, jej wysokość musiała przekraczać 5,5 metra. Aby uniknąć nieużywanego martwego miejsca nad resztą powierzchni i tym samym zbędnych kosztów klimatyzacji, wysokość pomieszczenia została w dużej mierze ustalona na 3,3 metra, a nad kalandrem wybudowano kopułę.

Aluminiowa blacha zapobiega uszkodzeniom spowodowanym wyładowaniami elektrostatycznymi

?Kolejnym problemem przy wilgotności względnej tylko 2 procent jest to, że powietrze i zwykła podłoga z PVC nie odprowadzają już wyładowań elektrostatycznych?, wyjaśnia Nerling. W przeciwnym razie istnieje ryzyko, że podczas uruchamiania sterowania maszyną dojdzie do wyładowania iskrowego i uszkodzenia urządzenia. Rozwiązaniem jest specjalnie opracowana przez systemowego wykonawcę podłoga z barierą paroszczelną z aluminiowej blachy. Ta podłoga zapewnia odprowadzanie ładunków nawet przy ekstremalnie niskich poziomach wilgotności. Również kluczowe dla utrzymania stałej wilgotności powietrza jest szczelność całego systemu. Zewnętrzne ściany i okna czystej izby są dokładnie dopasowane, aby wyeliminować szczeliny powietrzne do otaczającej hali produkcyjnej. Jako dostęp przewidziano śluzę materiałową i osobową, wyposażoną w wzajemnie ryglowane drzwi, aby uniemożliwić przenikanie wilgoci. Drzwi do wnętrza otwierają się dopiero po tzw. czasie płukania, czyli po tym, jak klimatyzacja usunęła wilgoć.

W tym środowisku produkcyjnym, dostosowanym do specyficznych wymagań, prowadzone są obecnie badania joint venture nad optymalizacją chemii ogniw bateryjnych i metod produkcji. Projekt kooperacyjny Volkswagena i Varta Microbattery jest początkowo planowany na cztery lata i jest wspierany w tym okresie przez Federalne Ministerstwo Gospodarki i Technologii. ?Jeśli zainteresowanie elektromobilnością w naszym społeczeństwie będzie nadal rosnąć, a pilotażowy projekt zakończy się sukcesem, planujemy dużą fabrykę do seryjnej produkcji takich ogniw do samochodów elektrycznych?, mówi Schreiber patrząc w przyszłość.

Zdjęcie: Nerling Systemräume GmbH