Digitaal dispergeren voor batterijproductie

De data uit een slim dispergeersysteem verbeteren de dispersies die nodig zijn om batterijcellen te maken. Ze helpen ook om de uitval van batterijen aanzienlijk te verminderen.

Het produceren van een batterij voor een elektrische auto is een complex proces dat veel afzonderlijke stappen omvat. Het begint met de productie van de elektroden, waarbij een pasta (slurry) op een substraat (meestal metaalfolie) wordt aangebracht.

De pasta, het actieve deel van de batterij, bestaat uit een poedermengsel. Dit bevat kernstoffen zoals lithium of kobalt, een bindmiddel, dispergeermiddelen en geleidende stoffen zoals roet. Dit poeder wordt gemengd met een oplosmiddel om een pasta of suspensie te vormen.

Bepalend voor kwaliteit

Tijdens het dispergeren mogen geen klontjes ontstaan. In de batterij zijn agglomeraten dodelijk, omdat ze de batterij uiteindelijk nutteloos maken. Een ander probleem is dat de actieve laag, de elektrode, 'ademt'. Wanneer de batterij wordt opgeladen en ontladen, verandert de elektrode van volume en kan loskomen van het substraat. Het gevolg kan een storing van de batterijcel zijn, bijvoorbeeld door kortsluiting.

Het gevaar dreigt vooral met hoge energiedichtheden, die noodzakelijk zijn voor een auto. De pasta moet daarom stevig hechten aan het substraat. Bij de dispersie moet een fabrikant het optimale vinden tussen elektrochemische eigenschappen en mechanische stabiliteit

Een volledig gedigitaliseerd dispersiesysteem in de laboratoria van het Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisieren (IPA) in Stuttgart kan daarbij helpen. Sensoren maken al tijdens het roeren zichtbaar hoe de pasta zich ontwikkelt. Ze meten reologische eigenschappen, ingaande energie en nog veel meer. Ze detecteren eventuele klontering al tijdens het roeren en verlengen het mengproces indien nodig.

Zodra een homogene pasta is gevormd, zorgen ze ervoor dat het systeem niet te lang doorwerkt. Slechts een fractie van de energie die wordt gebruikt bij het mengen en roeren wordt gebruikt voor de feitelijke dispersie. Veel van de gebruikte energie komt vrij als warmte zonder de dispersie te verbeteren. Hier ligt dus een groot besparingspotentieel.

Minder uitval

Met het gedigitaliseerde dispergeersysteem kunnen niet alleen conventionele pasta's worden geproduceerd. Onderzoekers kunnen ook experimenteren met nieuwe materialen, die vroeg of laat om ecologische redenen nodig zullen zijn. Bovendien helpen de vele data van de slimme fabriek om beter te begrijpen wat er precies gebeurt tijdens dispersie. De uit data verkregen kennis kan worden gebruikt om modellen voor processimulatie te verbeteren. Onderzoekers hoeven dan niet maanden in het laboratorium door te brengen om inzichten te krijgen; ze kunnen de processen van tevoren simuleren. Dat bespaart tijd en geld.

De data helpen ook om uitvalpercentages aanzienlijk te verlagen. In de fabriek van morgen zijn alle apparaten voor de productie van batterijen met elkaar verbonden. Zodra de coatingapparatuur een probleem detecteert, kan deze de dispergeerapparatuur ertoe aanzetten langer te roeren of andere parameters aan te passen. Het uiteindelijke doel is een zelflerend systeem dat geen externe interventie vereist.

De foto bovenaan toont een laborant die dispersies vergelijkt. Foto's: Fraunhofer IPA