04. 10. 2022
|
emovio.cz logo

Jak vypadá moderní výroba EV baterií? Stále více při ní pomáhají lasery

Laserovým svařováním vznikají vysoce vodivé a mechanicky robustní přípojnicové spoje (Foto: Trumpf)
Laserovým svařováním vznikají vysoce vodivé a mechanicky robustní přípojnicové spoje (Foto: Trumpf)

Stejně bouřlivým vývojem, jako celá elektromobilita, prochází i výroba bateriových článků. V poslední době se při ní stále výrazněji prosazují laserové technologie, které celý výrobní proces zkvalitňují a zefektivňují. Používají se k řezání, svařování či sušení bateriových fólií, ke spojování bateriových článků do bateriových modulů nebo k finálnímu těsnicímu svařování bateriových pouzder.

Baterie elektromobilu je poměrně komplexní produkt, který vzniká v několika fázích, během nichž se formují jeho tři hlavní součásti: bateriový článek, bateriový modul a bateriový blok. Téměř výlučně se přitom jedná o výrobu lithium-iontových baterií na bázi elektrolytu. Alternativní složení, s nimiž se tu a tam experimentuje, doposud nedosáhla nezbytné průmyslové zralosti.

Bateriové články jsou tvořeny několika extrémně tenkými fóliemi z mědi (anoda) a z hliníku (katoda). Tyto takzvané elektrodové fólie ještě před tím, než se složí na sebe, čímž vytvoří bateriový článek, se musejí dokonale vysušit. Sušicí pece, které se k tomu obvykle používají, však ve výrobní hale zabírají poměrně značný prostor. Jako alternativa se proto nabízejí polovodičové lasery, které umožňují provádět velmi intenzivní ozařování, díky němuž dochází k rychlému zahřívání, a tedy sušení velkých ploch. Výhodou této technologie je, že kromě toho, že nezabírá příliš mnoho prostoru, je také energeticky podstatně méně náročná než konvenční sušicí pec. Německá společnost Trumpf dokonce nedávno uvedla na trh k tomuto a podobným účelům speciálně určenou technologii VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser). Topné VCSEL systémy totiž dokážou zahřívat velké plochy s nasměrovaným infračerveným zářením škálovatelně, tedy podle vlnové délky. Díky přímému ozáření opracovávané plochy tak lze bez nákladných optik nebo skenovacích systémů dosáhnout značné hospodárnosti ve srovnání s běžnými laserovými zařízeními. Jedinečné na tomto systému je to, že vedle dokonalého ovládání a rychlého přepnutí infračerveného výkonu je možné libovolně programovat také prostorový topný profil díky nezávislému ovládání malých segmentů laserových modulů.

Vysoké nároky na přesnost

V dalším výrobním kroku je třeba nařezat elektrodové fólie na požadovanou velikost. Tyto fólie jsou velmi tenké – zpravidla mají tloušťku mezi 6 a 14 mikrometry. K tomuto na přesnost náročnému řezání se stále častěji používají krátkopulzní lasery. V kombinaci s optickým skenerovým systémem jsou tyto lasery schopny fólii velmi rychle a velmi přesně vyřezat do požadovaného tvaru.

Bateriový článek pak vznikne navrstvením těchto elektrodových fólií na sebe. I tuto činnost lze dnes provádět s pomocí laseru. Standardní průmyslové lasery se však v této oblasti používají jen velmi omezeně, protože měď je velmi reflektivní. Speciálními lasery, které pracují na krátké vlnové délce ve viditelném zeleném spektru, však lze svařovat měděné fólie velmi spolehlivě a efektivně. Zelená vlnová délka se totiž do mědi optimálně absorbuje: při pokojové teplotě je absorpce ve srovnání s infračerveným světlem osmkrát vyšší. Svařování je proto maximálně stabilní a téměž bez odstřiků a deformací.

Z mnoha takto vyrobených bateriových článků se následně skládá celý bateriový modul. Články jsou vzájemně propojeny pomocí přípojnic z mědi nebo hliníku. Tyto spoje musejí být mechanicky pevné, protože jsou ve vozidle vystaveny vibracím a působení tepla. Současně musí být zajištěno i dlouhodobě stabilní elektrické spojení s minimálním odporem. Kombinace použitých materiálů a tloušťky kovů se přitom mohou výrazně lišit v závislosti na typu článku a jeho konkrétní aplikaci. Z tohoto důvodu se v této fázi výroby používá mnoho různých typů laserů. Ty se liší vlnovou délkou, kvalitou paprsku a výkonem, vždy se však kombinují s optickým skenerem. Ten zcela automaticky a přesně navádí laser do správné polohy a zajistí tak, aby sledoval požadovanou svařovací dráhu.

Dokonalé utěsnění

Akumulátor ve své konečné podobě obsahuje kompletní bateriový systém včetně výkonové elektroniky a řízení teploty. Takto se instaluje do elektromobilu. Zcela klíčové však je, aby byl celý bateriový systém dokonale utěsněný, aby ani v případě nehody nemohly z baterie uniknout žádné chemikálie. K tomu, aby byly splněny tyto přísné bezpečnostní požadavky, je třeba vnější ocelové nebo hliníkové plechy svařit tak, že kolem baterie vznikne vzduchotěsné pouzdro. Zde opět nastupují lasery. Použitím diskového laseru jsou dnes výrobci schopni splnit velmi náročné standardy při zachování vysoké produktivity.

 „Výroba lithium-iontových baterií je velmi složitý a náročný proces. Baterie musí splňovat přísné požadavky automobilového průmyslu – v oblastech jako je bezpečnost a životnost. Laser je jediný nástroj, který dokáže efektivně a hospodárně splnit všechny tyto požadavky,“ říká Johannes Bührle, vedoucí průmyslového managementu pro oblast automotive ve společnosti Trumpf. Jeho slova dokládají i aktuální firemní čísla: v porovnání se stavem před třemi lety se výrobní kapacita a poptávka v tomto segmentu více než ztrojnásobily. V první polovině letošního roku pak Trumpf plánuje dodat přes 500 laserů řadě výrobců baterií pro elektromobily. „V našem uplynulém fiskálním roce více než každé druhé euro z tržeb z automobilového průmyslu pocházelo z elektromobility. To je ekvivalent obchodu v hodnotě stovek milionů eur,“ přidává Johannes Bührle několik dalších velmi výmluvných údajů.

Podobné články

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna.

Oblíbené články

Témata