To, co kwadratowe, musi stać się okrągłe

Charakterystyka morfologiczna elektrolitu stałej fazy i katody kompozytowej. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Elektrolyt dla ciała stałego po powłoce na przewodniku prądu. © Fraunhofer IPA/zdjęcie: Rainer Bez

Akumulatory o jak największej ilości energii są szczególnie poszukiwane do pojazdów elektrycznych. Fraunhofer IPA pracuje nad bateriami stałocementowymi, które mają mieć niemal dwukrotnie wyższą gęstość energii – 700 watogodzin na kilogram – w porównaniu do dzisiejszych baterii litowo-jonowych. Cyfrowe bliźniaki mają pomóc w usunięciu istniejących barier na drodze do masowej produkcji.

W Instytucie Fraunhofer ds. Technologii Produkcji i Automatyzacji IPA skupia się na technologiach, które wydają się możliwe do skalowania od próbki laboratoryjnej do przemysłowej produkcji masowej. Kluczowe jest, aby nowatorskie baterie z pewnymi modyfikacjami można było produkować na istniejących liniach. Końcowym produktem mają być cylindryczne komórki w standardowym formacie 21700, które mają średnicę 21 milimetrów i długość 70 milimetrów.

Producenci tacy jak VARTA AG, partner projektu Fraunhofer IPA w zakresie badań nad bateriami, nie bez powodu skupiają się na tych cylindrycznych komórkach. Poszczególne takie komórki łatwiej sprawdzić w module baterii i wymienić w razie ewentualnej usterki. Przestrzenie między komórkami mogą odprowadzać ciepło. Często komórki te są dalej wykorzystywane jako nośniki energii w innych zastosowaniach po wycofaniu akumulatora samochodowego. Ustandaryzowane cylindryczne komórki ułatwiają to zadanie.

Kruchość materiału stanowi wyzwanie

Komórki baterii stałocementowych, w przeciwieństwie do baterii litowo-jonowych, nie zawierają cieczy jako elektrolitu, lecz keramiczny lub sulfidowy, czyli zawierający siarkę, stały elektrolit. Opcją są również polimerowe elektrolity, jednak wymagają one wyższych temperatur pracy powyżej 60 stopni Celsjusza. Obecnie komórki są zwykle zbudowane jako płaskie, prostokątne komórki typu pouch. Aktualne prace nad keramickimi elektrolitami stałocementowymi w Fraunhofer IPA mają na celu przyspieszenie procesu spiekania keramiki i już na tym etapie uzyskanie pożądanej geometrii do późniejszego zastosowania w baterii. Jednak kruchość materiału utrudnia dalszą obróbkę i zwijanie w cylindryczne komórki.

Dla zastosowań w cylindrycznych komórkach sulfidowe elektrolity stałocementowe mają istotną przewagę. Przy odpowiedniej obróbce można wytwarzać elastyczne warstwy, które są stabilne nawet przy małych promieniach zwijania. Dodatkowo, rodzina Thio-LISICON, czyli anorganiczych elektrolitów sulfidowych, wykazuje obiecujące wyniki pod względem przewodności jonowej przy niskich temperaturach. Mimo to, sulfidowe elektrolity, choć wykazują doskonałe przewodnictwo jonowe i mogłyby konkurować z organicznymi cieczami elektrolitowymi, są obecnie znacznie droższe. Dzięki rozbudowie odpowiednich mocy produkcyjnych możliwa jest kosztowo efektywna produkcja sulfidowych elektrolitów.

Do przemysłowej produkcji baterii stałocementowych droga jeszcze daleka. Obecnie baterie te są głównie zbudowane z litowego anody, co stawia szczególne wyzwania dla środowiska montażowego. Aby materiał nie reagował z tlenem ani wilgocią z powietrza, konieczne są kosztowne warunki suchych pomieszczeń, a czasem nawet dodatkowe zamknięte strefy produkcyjne z gazem ochronnym, takim jak argon. Naukowcy z Fraunhofer IPA badają, jak można produkować baterie stałocementowe w warunkach umiarkowanych. »Obiecującym podejściem jest in-situ osadzanie litu metalicznego. Podczas pierwszego procesu ładowania, jony litu obecne w katodzie tworzą warstwę na przewodniku ujemnej elektrody«, mówi Duygu Kaus z Centrum Produkcji Cyfrowych Komórek Baterii (ZDB). Seria prób ma pokazać, jaki materiał przewodnika najlepiej sprzyja in-situ tworzeniu anody.

Cyfrowy bliźniak wspiera rozwój komórek baterii i optymalizację produkcji

Aby ustalić, które z wielu parametrów są najbardziej odpowiednie do produkcji, konieczne są obszerne testy – nie tylko w laboratorium, ale także w skalowalnych warunkach przemysłowych. Zużycie materiałów byłoby wtedy znaczne, a każda modyfikacja wpływałaby na kolejne etapy łańcucha procesów.

»Elegantszym rozwiązaniem jest cyfrowy bliźniak. Pomaga on pracownikowi w produkcji, korzystając z funkcji monitorowania, analizy i prognozowania«, mówi Soumya Singh z ZDB. Cyfrowy bliźniak to wirtualny obraz poszczególnych etapów procesu lub całych linii produkcyjnych, który jest ciągle uzupełniany o dodatkowe dane operacyjne. Pomaga inżynierom symulować przyszłe zachowanie produkcji przy różnych parametrach i ocenić ich wpływ z wyprzedzeniem. Zasilany obszernymi źródłami danych z produkcji, cyfrowy bliźniak ocenia efektywność poszczególnych etapów procesu, ale także wpływ różnych parametrów obróbki na końcową jakość produktów pośrednich, czas trwania procesu i jego stabilność. Na przykład, za pomocą cyfrowego bliźniaka można na komputerze operatora określić, jak powinny wyglądać kroki obróbki elektrody, aby na końcu była wystarczająco elastyczna do zwijania.

Po wdrożeniu cyfrowy bliźniak jest zsynchronizowany z etapem produkcji i jest na bieżąco zasilany aktualnymi danymi z procesu. Teraz monitoruje, jak stabilnie przebiega produkcja i staje się integralną częścią zarządzania jakością.