Ερευνητικό Ίδρυμα Fraunhofer – Έρευνα για πιο αποτελεσματική παραγωγή κυψελών μπαταρίας
Ο οπτικός αισθητήρας Dualis 2D της ifm επιτηρεί από κοντά την κατασκευή ηλεκτροδίων
Η ηλεκτροκίνηση εξακολουθεί να αναπτύσσεται αλματωδώς σε παγκόσμιο επίπεδο. Μόνο μεταξύ 2020 και 2023, το ποσοστό των ταξινομημένων ηλεκτρικών οχημάτων αυξήθηκε από λιγότερο από πέντε τοις εκατό σε περίπου 18 τοις εκατό – και η τάση είναι σαφώς ανοδική.
Ωστόσο, για να ολοκληρωθεί πλήρως η επιδιωκόμενη μετάβαση στην ηλεκτροκίνηση, απαιτείται κάτι συγκεκριμένο: αυξημένο δυναμικό παραγωγής πανίσχυρων μπαταριών – και πολύ σύντομα, επίσης. Ως σύνδεσμος μεταξύ επιστήμης, έρευνας και βιομηχανίας, το Ερευνητικό Ίδρυμα Fraunhofer FFB για την παραγωγή κυψελών μπαταρίας σκοπεύει να συμβάλει στη διασφάλιση της επιτάχυνσης της ανάπτυξης νέων, ισχυρών μορφών κυψελών.
Ο στόχος για την Ευρώπη έχει τεθεί: η ΕΕ επιδιώκει να διαδραματίσει σημαντικότερο ρόλο στην αγορά παραγωγής κυψελών μπαταρίας στο μέλλον και έχει θέσει ως στόχο τη σημαντική βελτίωση της παραγωγικής απόδοσης το 2030. Αυτό θα περιλαμβάνει τη μείωση των απορρίψεων σε ποσοστό κάτω από πέντε τοις εκατό – ένα φιλόδοξο εγχείρημα, όπως διευκρινίζει ο Fabian Kux, Επιστημονικός Συνεργάτης (Διασφάλιση Ποιότητας) στο Fraunhofer FFB: «Τα ποσοστά απόρριψης εξακολουθούν να είναι ιδιαίτερα υψηλά σε ολόκληρη την αλυσίδα της διαδικασίας παραγωγής μπαταριών παγκοσμίως». Οι εύρυθμες εγκαταστάσεις παράγουν περίπου 10 τοις εκατό απορριφθέντα προϊόντα. Το ποσοστό αυτό μπορεί να είναι ακόμα πιο υψηλό κατά τη φάση της αύξησης της παραγωγικότητας. «Ως εκ τούτου, στόχος μας είναι να επιταχύνουμε την κατασκευή καινοτόμων και, κυρίως, αποδοτικών κυψελών μπαταρίας», δηλώνει ο Kux.
Διασφάλιση ποιότητας με χρήση οπτικών αισθητήρων 2D
Το FFB ήδη αποδίδει σημαντικό ρόλο στην τεχνολογία αυτοματισμού. «Ένα σημαντικό στοιχείο της έρευνάς μας είναι η επεξεργασία του τρόπου με τον οποίο η τεχνολογία αισθητήρων μπορεί να συμβάλει στη βελτίωση της ποιότητας των προϊόντων και της αποτελεσματικότητας των επιμέρους βημάτων της διαδικασίας». Στο πλαίσιο ενός κοινού έργου με την ifm, ο Kux και η ομάδα του δοκιμάζουν, π.χ. τις δυνατότητες χρήσης του οπτικού αισθητήρα Dualis 2D. Ο Dualis ελέγχει περιγράμματα και επιφάνειες και συγκρίνει την πραγματική κατάσταση με τις προδιαγραφές του στόχου. Αυτό επιτρέπει τον αξιόπιστο εντοπισμό των παραμικρών διαφορών στις λεπτομέρειες, όπως απουσία σφιγκτήρων συγκράτησης ή παραμορφώσεων στα σπειρώματα. Επιπλέον, μπορούν να αναλυθούν οι διαστάσεις της επιφάνειας, όπως – στη συγκεκριμένη περίπτωση εφαρμογής – αυτές του πολτού, μίας πάστας ενεργών υλικών, αγώγιμων πρόσθετων, διαλυτών και συνδετικών μέσων, που έχει εφαρμοστεί. Ο οπτικός αισθητήρας αναγνωρίζει αξιόπιστα μία ελαττωματική εφαρμογή και αποστέλλει ένα μήνυμα σφάλματος. Η διαδικασία μπορεί στη συνέχεια να αναπροσαρμοστεί για να αποφευχθούν περαιτέρω απορρίψεις και να διατηρηθεί ένα υψηλό επίπεδο ποιότητας του προϊόντος στη διαδικασία κατασκευής. Η ενσωμάτωση του οπτικού αισθητήρα είναι εξαιρετικά απλή: ο οπτικός αισθητήρας 2D μπορεί να παραμετροποιηθεί για τις περισσότερες περιπτώσεις εφαρμογής μέσω της λειτουργίας εκμάθησης του δωρεάν λογισμικού ifm Vision Assistant, των βοηθών παραμετροποίησης που διαθέτει και μερικά κλικ του ποντικού.
Τρεις εφαρμογές για τον Dualis
«Σε διαβούλευση με τον ειδικό στον αυτοματισμό, την ifm, ταυτοποιήσαμε τρεις εφαρμογές στις οποίες μπορεί να χρησιμοποιηθεί ο Dualis», εξηγεί ο Kux. «Η πρώτη εφαρμογή περιλαμβάνει την ανίχνευση ελαττωμάτων στον πρόσφατα εφαρμοσμένο πολτό ηλεκτροδίων στην επιφάνεια του υποστρώματος της μεμβράνης. Διότι, η μόλυνση ή οι χαμένες περιοχές έχουν αρνητικό αντίκτυπο στην ασφάλεια και την απόδοση της κυψέλης και ως εκ τούτου πρέπει να αναγνωρίζονται ως απορριφθείσες», αναφέρει ο Kux. «Ταυτόχρονα ελέγχονται οι διαστάσεις της επίστρωσης. Σε μία συνεχή διαδικασία εφαρμογής, μετράται το πλάτος της μεμβράνης. Σε μία διακοπτόμενη διαδικασία εφαρμογής, μετράται επίσης το μήκος.»
Στην αρχή της διαδικασίας παραγωγής, ο οπτικός αισθητήρας Dualis (O2D5) παρακολουθεί την εφαρμογή του πολτού. Στο Ερευνητικό Ίδρυμα Fraunhofer δοκιμάζεται επίσης η επιτήρηση διπλής όψης.
Τύλιγμα πάντα με ακρίβεια
Εάν επικαλύπτονται και οι δύο πλευρές μιας μεμβράνης, χρησιμοποιείται ένας δεύτερος Dualis για την επιθεώρηση της κάτω πλευράς.
«Σε αυτήν την περίπτωση, πρέπει να είμαστε σίγουροι ότι ο πολτός εφαρμόζεται ισομερώς και στις δύο πλευρές για να διασφαλίζεται η απαιτούμενη ποιότητα». Στο τρίτο σενάριο, ο Dualis επιθεωρεί την ακμή της μεμβράνης και την επίστρωση. «Εφαρμόζεται υγρός πολτός στη μεμβράνη και στη συνέχεια υποβάλλεται σε μία διαδικασία ξήρανσης. Στη συνέχεια, η επικαλυμμένη, στεγνή μεμβράνη ηλεκτροδίου τυλίγεται. Διαφορετικά, το ακανόνιστο φορτίο μπορεί να καταστρέψει τη μεμβράνη και την επίστρωση.
Εικόνα 1: Τα κενά στην επίστρωση πολτού οδηγούν σε απόρριψη και είναι επιτακτική ανάγκη να εντοπίζονται. Ο οπτικός αισθητήρας Dualis της ifm υποδεικνύει αυτό το ελάττωμα, συμβάλλοντας έτσι στη διατήρηση του ποσοστού απορρίψεων στο ελάχιστο.
Εικόνα 2: Ο Dualis εντοπίζει επίσης αξιόπιστα ανωμαλίες ή θύλακες στον εφαρμοσμένο πολτό, διασφαλίζοντας την ποιότητα και την υψηλή παραγωγικότητα.
Από το ψηφιακό δίδυμο στο διαβατήριο μπαταρίας
Τα δεδομένα του οπτικού αισθητήρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν όχι μόνο για τη μείωση του ποσοστού απορρίψεων σε πρώιμο στάδιο και τη διασφάλιση της ποιότητας. Από το 2026 θα είναι υποχρεωτικό για όλες τις νέες μπαταρίες που παράγονται να διαθέτουν διαβατήριο μπαταριών. Αυτό θα περιέχει πληροφορίες όχι μόνο για την αλυσίδα εφοδιασμού και τις νέες ή ανακυκλωμένες πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται, αλλά και για την απόδοση και την υγεία της μπαταρίας. «Όλα τα δεδομένα που καταγράφουν οι αισθητήρες σε όλη τη διαδικασία παραγωγής μπορούν να μεταφερθούν στο ψηφιακό δίδυμο. Αυτό μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για να δημιουργηθεί εύκολα το διαβατήριο της μπαταρίας».
Ένα καλό παράδειγμα επιτυχημένης συνεργασίας
Το Fraunhofer FFB βρίσκεται ακόμα στη φάση εκκίνησης. Στο μέλλον, η εγκατάσταση στο Münster θα παρέχει τη δυνατότητα για παραγωγή μεγάλου όγκου, βιομηχανικής κλίμακας. «Αυτό έχει ως στόχο να μας επιτρέπει να παράγουμε μπαταρίες υψηλής απόδοσης, για να δοκιμάζουμε από κοινού νέες τεχνολογίες με εταίρους στη βιομηχανία σε ερευνητικά έργα σε πραγματικές συνθήκες. Η συνεργασία με την ifm είναι επομένως ένα καλό παράδειγμα του πώς μπορούμε να δοκιμάζουμε, να βελτιστοποιούμε και να αναβαθμίζουμε τις τεχνολογίες κατασκευής κυψελών μπαταρίας του μέλλοντος με τους συνεργάτες μας.
Συμπέρασμα
Σε συνεργασία με το Ερευνητικό Ίδρυμα Fraunhofer FFB για την παραγωγή κυψελών μπαταρίας, η ifm μπορεί να δοκιμάσει τον οπτικό αισθητήρα Dualis 2D σε πραγματικές συνθήκες. Στο μέλλον, οι προκύπτουσες πληροφορίες θα βοηθούν όλους: το Fraunhofer FFB, την ifm, κατασκευαστές κυψελών μπαταρίας και την ηλεκτροκίνηση συνολικά.
