Fraunhofer-instituut – onderzoek naar een efficiëntere productie van batterijcellen
Applicatiebericht
2D-visionsensor Dualis van ifm kijkt precies toe bij de elektrodenproductie
De elektrische mobiliteit bevindt zichwereldwijd nog steeds in een stroomversnelling. Alleen tussen 2020 en 2023 nam het aantal geregistreerde EV’s toe van minder dan 5 naar vermoedelijk 18 procent – de tendens: een duidelijke stijging.
Echter: om de gewenste mobiliteitstransitie volledig te kunnen realiseren, is er vooral één ding nodig: meer capaciteit in de productie van krachtige accu’s. En dat zo spoedig mogelijk. Het Fraunhofer-instituut Forschungsfertigung Batteriezelle FFB wil als schakel tussen wetenschap, onderzoek en bedrijfsleven bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe, krachtige celformaten waardoor deze sneller verloopt.
Het doel voor Europa is gesteld: de EU wil in de toekomst op de markt van de batterijcelproductie een belangrijkere rol gaan spelen en heeft zich tot doel gesteld om tot 2030 de efficiëntie in de productie aanzienlijk te verhogen. Onderandere moet het afkeurpercentage verlaagd worden tot minder dan vijf procent – een ambitieus uitgangspunt, zoals Fabian Kux, wetenschappelijk medewerker voor de kwaliteitsborging bij Fraunhofer FFB toelicht: “Nog steeds worden er in de accuproductie wereldwijd hoge afkeurpercentages binnen de gehele procesketen geconstateerd. Het afkeurpercentage bedraagt rond 10% in goed ingestelde installaties, bij maximale productiecapaciteit kan dit percentage soms nog wel eens hoger liggen. “Wij hebben ons tot doel gesteld om de innovatieve en vooral efficiënte batterijcelproductie sneller vooruit te brengen”, aldus Kux.
Kwaliteitsborging met behulp van 2D-visionsensoren
Hiervoor kent FFB een belangrijke rol toe aan de automatiseringstechnologie. "Een relevant onderdeel van ons onderzoek is om erachter te komen hoe de kwaliteit van de producten en de efficiëntie van de afzonderlijke processtappen verder zijn te verhogen met behulp van sensoren." In het kader van een gezamenlijk project met ifm onderzoeken Kux en zijn team bijvoorbeeld de toepassingsmogelijkheden voor de 2D-visionsensor Dualis. De Dualis registreert contouren en oppervlakken en vergelijkt de werkelijke toestand met de gewenste toestand. Dat betekent dat de kleinste detailverschillen, zoals ontbrekende bevestigingsklemmen of niet-gefreesde schroefdraad, betrouwbaar zijn op te sporen. Daarnaast zijn oppervlakdimensies te analyseren, zoals in de concrete toepassing bij de aangebrachte slurry, een pasta bestaande uit actieve materialen, geleidende additieven, oplos- en bindmiddelen. De visionsensor herkent een verkeerd aangebrachte slurry en verstuurt een foutmelding. Het proces kan dan worden bijgesteld om verdere afkeur te voorkomen en de hoge productkwaliteit in het productieproces te behouden. De integratie van de visionsensor is heel eenvoudig: Via de geleide parametreringswizard in de gratis ifm-software Vision Assistant kan de 2D-visionsensor in de meeste toepassingen worden geparametreerd met behulp van de teach-functie met slechts een paar muisklikken.
Drie applicaties voor de Dualis
“In overleg met ifm als automatiseringsspecialist hebben wij drie applicaties vastgesteld, waarvoor de Dualis in aanmerking komt", aldus Kux. "in de eerste applicatie wordt de elektrodenslurry, die vers op de substraatfolie is aangebracht, onderzocht op defecten. Want verontreinigingen of overgeslagen gedeelten hebben een negatieve invloed op de veiligheid en prestaties van de cel en moeten daarom absoluut worden geïdentificeerd als afkeur", licht Kux toe. "In dezelfde stap wordt ook de afmetingen van de coating gecontroleerd. Bij het continu aanbrengen wordt de breedte van de laag gedetecteerd; bij intermitterend aanbrengen wordt ook de lengte gemeten."
Aan het begin van het productieproces bewaakt de visionsensor Dualis (O2D5) het aan te brengen slurry. Ook een bewaking aan beide zijden wordt in de Fraunhofer-instituut getest.
Altijd exact gewikkeld
Als er aan beide zijden een laag wordt aangebracht, komt er een tweede Dualis aan te pas om de onderzijde van de folie te inspecteren.
"In dit geval moet ervoor worden gezorgd dat de slurry gelijkmatig aan beide zijden wordt aangebracht om de vereiste kwaliteit te waarborgen." In het derde toepassingsscenario bewaakt de Dualis de rand van de folie en de slurry-laag. "De slurry wordt nat op de folie aangebracht en ondergaat dan een droogproces. Ten slotte moet de gecoate en droge elektrodefolie worden gewikkeld. Anders kunnen de folie en de laag beschadigd raken door de onregelmatige belasting."
Afbeelding 1: Weggelaten gebieden in de aangebrachte slurry leiden tot afkeur en moeten absoluut worden geïdentificeerd. De visionsensor Dualis van ifm signaleert deze fout en helpt zo het aantal afkeuringen tot een minimum te beperken.
Afbeelding 2: De Dualis herkent ook op betrouwbare wijze onregelmatigheden of insluitingen in de aangebrachte slurry, waardoor kwaliteit en een hoge productiviteit gegarandeerd zijn.
Van digital twin tot het batterijpaspoort
De data van de visionsensor is echter niet alleen te gebruiken om afkeur vroegtijdig terugdringenvan uitval en voor kwaliteitsborging. Vanaf 2026 zal het baterijpaspoort verplicht zijn voor alle nieuw geproduceerde accu’s. Dit paspoort bevat naast informatie over de supply chain en de nieuw gebruikte of gerecyclede grondstoffen ook informatie over de prestaties en de conditiestatus van de accu. “Alle gegevens die binnen het complete productieproces via sensoren worden geregistreerd, zijn in de digital twin over te zetten. Daaruit kan dan gemakkelijk het batterijpaspoort worden opgesteld."
Een goed voorbeeld van een succesvolle samenwerking
Het Fraunhofer FFB bevindt zich nog in de opstartfase. In de toekomst zal Münster de capaciteit hebben voor de productie van grote seriematige aantallen op industriële schaal. "Dit moet ons in staat stellen om batterijcellen met een hoge verwerkingssnelheid te produceren, om samen met partners uit de industrie nieuwe technologieën in onderzoeksprojecten onder reële omstandigheden te testen. De samenwerking met ifm is daarom een goed voorbeeld van hoe wij samen met onze partners de productietechnologieën voor batterijcellen van morgen kunnen testen, optimaliseren en opschalen."
Conclusie
In samenwerking met het Fraunhofer-instituut Forschungsfertigung Batteriezelle FFB kan ifm het gebruik van haar 2D-visionsensor Dualis testen onder reële omstandigheden. De kennis die men hiermee opdoet, zal iedereen in de toekomst helpen: het Fraunhofer FFB, ifm, de fabrikanten van batterijcellen en elektrische mobiliteit als geheel.
