Zdigitalizowana i zrównoważona produkcja ogniw bateryjnych

Innowacyjna platforma badawczo-rozwojowa: system nawijania z elastycznymi formatami i designem. © Fraunhofer IPA/Rainer Bez / Innowacyjna platforma badawczo-rozwojowa: system nawijania z elastycznymi formatami i designem. © Fraunhofer IPA/Rainer Bez

Rolki żelowe i cylindryczna komórka baterii (okrągła komórka 21700 w beztablicowym ciągłym designie) wyprodukowane w Fraunhofer IPA. © Fraunhofer IPA/Rainer Bez / Rolki żelowe i cylindryczna komórka baterii wyprodukowane w Fraunhofer IPA (okrągła komórka 21700 w beztablicowym ciągłym designie). © Fraunhofer IPA/Rainer Bez

Elastyczność formatu i designu w przypadku cylindrycznych ogniw baterii (ogniwa okrągłe). © Fraunhofer IPA / Elastyczność formatu i designu dla cylindrycznych ogniw baterii (ogniwa okrągłe). © Fraunhofer IPA

Rozwój istniejących systemów magazynowania energii jest kluczowym warunkiem transformacji energetycznej. Centrum Produkcji Zautomatyzowanych Komórek Baterii (ZDB) w Instytucie Fraunhofera ds. Technologii Produkcji i Automatyzacji IPA uruchomiło wspólnie z acp systems AG linię do nawijania, elastyczną pod względem formatu i projektu, dla cylindrycznych komórek baterii. Służy ona jako innowacyjna platforma badawcza i produkcyjna, umożliwiająca testowanie nowych formatów komórek i komponentów, a także projektów taśm. Umożliwia rozwój dużych formatów komórek dla przyszłych technologii baterii. Linia do nawijania jest unikalna na skalę światową i osadzona w zautomatyzowanej i zdigitalizowanej infrastrukturze produkcji komórek baterii.

Baterie do samochodów elektrycznych składają się z kilku modułów, w których zamontowanych jest wiele komórek baterii. To one stanowią serce każdej baterii, a także największą część wartości dodanej. Cylindryczne komórki baterii zyskały na popularności w branży motoryzacyjnej w ostatnich latach, przy czym trend zmierza ku większym formatom komórek. ZDB z Fraunhofer IPA, we ścisłej współpracy z acp systems AG, opracowało, zbudowało i uruchomiło linię do nawijania cylindrycznych komórek baterii, zwanych również komórkami okrągłymi. Służy ona jako wszechstronna platforma badawcza i produkcyjna do testowania nowych formatów komórek, projektów taśm oraz zaawansowanych metod poprawy jakości i optymalizacji procesów w krótkim czasie. Nowa linia do nawijania uzupełnia unikalną w Europie linię produkcyjną do pełnej montażu komórek baterii dla technologii litowo-jonowych oraz przyszłych technologii, takich jak baterie sodowo-jonowe. Cechą wyróżniającą tę linię jest digitalizacja i sieciowa integracja wszystkich etapów procesu — od powlekania, nawijania, montażu i napełniania, aż po formowanie. Ministerstwo Gospodarki, Pracy i Turystyki Badenii-Wirtembergii finansowało budowę i instalację linii do nawijania.

»Na ZDB możemy pokryć wszystkie etapy procesu produkcji komórki baterii. Proces nawijania jest jednym z kluczowych procesów produkcyjnych, a nawijanie stanowi serce komórki baterii. Dzięki linii do nawijania zamknęliśmy lukę w ciągłym, zdigitalizowanym łańcuchu procesów, a linia produkcyjna jest tym samym w pełni zintegrowana«, mówi Julian Grimm, lider zespołu badawczego w Fraunhofer IPA i zastępca kierownika centrum ZDB.

Elektrody i separatorami są nawijane na Jelly Roll

Do przygotowania gotowej komórki potrzeba około tuzina etapów. W procesie nawijania dodatnia i ujemna elektroda wraz z dwoma separatorami są nawijane na siebie, tworząc tak zwany Jelly Roll. Następnie następuje montaż, podczas którego Jelly Roll musi być prowadzony z dużą precyzją. Po tym procesie, za pomocą pręta wprowadzonego przez środek nawijki, nawijka jest zgrzewana z podstawą pojemnika.

Nowa linia do nawijania cylindrycznych komórek baterii nie jest tylko platformą produkcyjną dla Jelly Rolls, lecz także służy jako platforma badawcza do opracowywania innowacyjnych systemów i formatów komórek oraz testowania ich jakości. »Unikalną cechą naszej linii jest jej elastyczność. Dzięki niej możemy realizować różne formaty komórek w różnych rozmiarach i projektach taśm, na przykład bezpośrednie projekty bez zgrzewanego taśmy. Taśma, czyli wąski element odprowadzający na anodzie i katodzie, przez które przepływa prąd, jest miejscem wąskim w dużych komórkach«, wyjaśnia badacz. W przypadku komórek okrągłych trend zmierza ku większym formatom, które mają większą średnicę i wysokość. Nawinanie i komórka okrągła są więc większe. Problem polega na tym, że im większe komórki, tym trudniej odprowadzić prąd i ciepło. »Na te wyzwania odpowiadamy indywidualnymi projektami taśm, gdzie na przykład w projekcie bez taśmy, przewodząca folia z aluminium i miedzi służy jako przewodnik prądu i ciepła, umożliwiając szybszy odprowadzanie energii niż w przypadku klasycznego taśmy«, wyjaśnia Grimm. Innowacyjne projekty komórek zapewniają jednorodność w cylindrycznych komórkach i umożliwiają produkcję dużych komórek. Dzięki większym komórkom z większą ilością aktywnego materiału można osiągnąć wyższą gęstość energii i tym samym większy zasięg samochodów elektrycznych.

Zebrane dane są przypisywane do poszczególnych komórek baterii

Aby zminimalizować odpad i zwiększyć jakość, cały proces produkcji jest zdigitalizowany i połączony w sieć. Czujniki zbierają dane, które w czasie rzeczywistym trafiają do chmury. Technologie śledzenia opracowane w Fraunhofer IPA umożliwiają przypisywanie zebranych danych do wyprodukowanych komórek baterii. Każda wyprodukowana komórka jest gotowa do analizy danych i treningu sztucznej inteligencji. Dzięki temu można śledzić, w jakich warunkach została wyprodukowana i jak odnosi się to do osiągniętej jakości produktu. Dane te są wykorzystywane do rozwoju usług z funkcjami monitorowania, analizy i prognozowania. Umożliwia to usprawnienie procesu produkcyjnego i szybsze usuwanie źródeł błędów.

»Innowacyjne projekty komórek wymagają nowego podejścia do projektowania i optymalizacji procesów produkcyjnych, które można badać na linii do nawijania. Połączenie innowacyjnych projektów komórek i elastycznych metod produkcji jest kluczem do spełnienia wymagań szybko zmieniającego się krajobrazu energetycznego, umożliwienia szybszego wprowadzania nowych rozwiązań na rynek i torowania drogi do zrównoważonych, wysokiej jakości technologii baterii«, podsumowuje Grimm. Również producenci i użytkownicy elektrod, separatorów i komórek mają możliwość testowania swoich prototypów, produktów, komponentów komórkowych, materiałów i projektów na tej linii.