既存の蓄電システムのさらなる開発と進化は、エネルギー移行の重要な前提条件です。フラウンホーファー製造エンジニアリング・オートメーション研究所 IPA のデジタル化バッテリーセル製造センター (ZDB) と acp Systems AG は協力して、柔軟な形式と設計を特徴とする円筒形バッテリーセルの巻線システムを委託しました。

それはとして機能します革新的な研究タブ設計とともに新しいセル形式とコンポーネントをテストするための生産プラットフォームと、将来のバッテリー技術に向けた大型セルの開発も可能にします。このワインディングシステムは世界初のものです。これは、自動化されデジタル化されたバッテリーセル生産インフラストラクチャーに組み込まれています。

電気自動車のバッテリーは複数のモジュールで構成されており、各モジュールは多数の個別のバッテリー セルで構成されています。これらのモジュールはあらゆるバッテリーの中心部分であり、価値創造の大部分を担っています。近年、自動車業界では円筒形バッテリーセルの人気が高まっており、大型セル形式が好まれる傾向にあります。

フラウンホーファー IPA の ZDB と acp Systems AG は緊密に連携して、円筒形バッテリーセル (円形セルとも呼ばれる) の巻線システムの開発、構築、そして現在試運転を行っています。これは、新しいセル形式やタブ設計の迅速なテスト、および品質の向上とプロセスの最適化のための高度な方法のための多用途の研究および生産プラットフォームとして機能します。

新しい巻き上げシステムにより、生産ラインヨーロッパの他の工場とは異なり、リチウムイオン電池やナトリウムイオン電池などの将来の電池技術用の円筒型電池セルの製造を行っています。生産チェーンの特徴は、コーティング、巻き取りから組み立て、充填、成形に至るすべてのプロセスステップがデジタル化され、相互接続されていることです。

「ZDB では、バッテリーセルの製造に必要なすべてのプロセスステップをカバーできます。ゼリーロールがバッテリーセルの中心となるため、巻き取りプロセスは円筒型セル生産の中核プロセスの 1 つです。巻き取りシステムを導入することで、オンライン化により、完全にデジタル化されたプロセスチェーンのギャップを埋め、生産ラインが完成しました」とフラウンホーファーIPAの研究チーム責任者でZDB副責任者のジュリアン・グリム氏は述べています。

電極とセパレータをゼリーロール状に巻いたもの

セルを使用できる状態にするまでには、約 12 の作業ステップが必要です。巻き取りプロセスでは、正極と負極を 2 枚のセパレーターとともに巻き上げてゼリー ロールを形成します。その後、バッテリーが組み立てられますが、このステップではゼリーロールを非常に正確に移動して位置決めする必要があります。次に、ロッド電極がロールの中央の穴に挿入され、ロールをシリンダーのベースに溶接するために使用されます。

しかし、円筒形バッテリーセルの新しい巻き取りシステムは、単なるゼリーロールの生産プラットフォームではありません。また、革新的な細胞システムやフォーマットを開発し、その品質をテストするための研究プラットフォームとしても機能します。

「私たちのシステムをユニークなものにしているのは、その柔軟性です。これにより、さまざまなサイズのさまざまなセル形式や、タブが溶接されていないテーブルレス設計などのタブ設計を実現できます。タブは、タブの細い端子要素です。電気が流れなければならないアノードとカソードは、大型セルのチョークポイントです」とグリム氏は言う。

円形セルでは、セル形式が大型化する傾向にあり、直径と高さの両方でより多くのスペースを必要とします。これは、ロールとセル自体が大きくなってしまうことを意味します。しかし問題は、セルが大きくなるほど、電流を集めて熱を放散することが難しくなるということです。

「この課題には、個別のタブ設計で対応できます。たとえば、テーブルレス設計では、アルミニウムと銅で作られたキャリアフォイルが電流を収集し、熱を放散する役割を果たし、従来のタブよりも両方の伝導を高めることができます」とグリム氏は説明します。。

革新的なセル設計により、円筒形セルの均質性が保証され、大きなセル形式が可能になります。より多くの活性物質を含むより大きなセルを使用すると、より高いエネルギー密度を達成でき、結果的に電気自動車の航続距離が延長されます。

バッテリーセルに関連するデータ収集

無駄を最小限に抑え、品質を向上させるために、生産プロセス全体がデジタル化され、相互接続されています。そのために、センサーがデータを収集し、クラウドにリアルタイムで集約されます。フラウンホーファー IPA で開発されたトレーサビリティ技術により、収集されたデータと製造されたバッテリー セルを関連付けることができます。

製造された個々のバッテリーセルは、データ分析や人工知能のトレーニングに利用できます。このようにして、セルが製造された条件を追跡し、それが最終製品の品質にどのように関係しているかを判断することができます。

データは、監視、分析、予測機能を備えたサービスを開発するために使用されます。これにより、生産プロセスを改善し、以前よりも早くエラーの原因を排除することが可能になります。

「革新的なセル設計には生産プロセスの再設計と最適化が必要ですが、これは巻線システムを使用して検討できます。革新的なセル設計と生産への機敏なアプローチの組み合わせが、急速に変化するエネルギー情勢の要件を満たす鍵となり、より迅速な市場投入を可能にします」新しいソリューションを開発し、持続可能な高品質のバッテリー技術への道を切り開くのです」とグリム氏は言います。

電極、セパレーター、セルのメーカーやユーザーは、このシステムを使用してプロトタイプ、製品、セルのコンポーネント、材料、設計をテストすることもできます。