Ako sa vyvíjajú batérie do elektromobilov

Mali sme možnosť nahliadnuť do nového centra BMW Group Battery Cell Competence Centre v Mníchove, špecializovaného na výskum a vývoj batérií. Zameraním tohto interdisciplinárneho centra je napredovať s vývojom technológie článkov batérií a s ich zavádzaním do výroby. Hlavným cieľom je postupné zdokonaľovanie batérií a zvyšovanie energetickej hustoty, ktorá by do roku 2030 mala dosiahnuť až dvojnásobok oproti súčasným batériám.

Napriek tomu, že nezainteresovanému používateľovi sa môže zdať, že batérie (správnejšie akumulátory) do elektromobilov sú stále rovnaké, opak je pravda. Na poli Li-ion batérií prebieha práve v súvislosti s nástupom elektromobilov búrlivý vývoj. Veľmi dobre to vidieť napríklad na elektromobile BMW i3, ktorý prišiel na trh v roku 2013 s batériou s kapacitou 21,6 kWh. Najnovšia verzia má kapacitu 42,2 kWh, a to pri zachovaní rovnakých rozmerov a minimálnom zvýšení hmotnosti.

Takýto výkon je dosiahnutý zdokonaľovaním materiálu elektród, zlepšením elektrolytu, optimalizáciou hrúbky jednotlivých vrstiev a ďalšími zmenami. Na to sme sa práve mohli pozrieť v špecializovanom centre.

Na začiatku je materiál anódy a katódy, ktorý sa nanáša na nosič tvorený medenou alebo hliníkovou fóliou. Zatiaľ čo anóda je zväčša z grafitu, katódu tvorí zmesou materiálov, ktorá je jednou z najväčších výziev výskumu. Tu sa využívajú materiály ako lítium, kobalt, mangán, železo a ďalšie podľa typu a určenia článkov. Okrem zloženia elektród majú vplyv na výsledné vlastnosti batérie aj ďalšie faktory, ako je hrúbka elektród, zloženie elektrolytu, teplotný manažment a veľa ďalšieho.

V prototypovej výrobe sme mohli vidieť celý proces výroby článkov. Ten sa začína miešaním zmesi materiálov tvoriacich základ elektród. Miešanie sa uskutočňuje v špecializovanom zariadení za prísnej kontroly podmienok.

Materiál sa potom v podobe hustej pasty nanáša v presnej vrstve na podkladovú fóliu. Linka zabezpečí jeho homogénne rozprestretie do presne určenej hrúbky po väčšej časti pása fólie. Okraje sa nechávajú voľné, z dlhšieho budú v konečnej fáze vytvarované výstupy z článku.

Po vytvrdnutí teplom sa celý pás presunie do ďalšieho stroja, kde prejde valcovým lisom, ktorý upraví presnú hrúbku elektródy.

V ďalšom kroku sa z pásov na katódu a anódu pomocou lasera vyrezávajú elektródy na presnú veľkosť podľa rozmerov článku. Potom nasleduje skladanie elektród, keď sa postupne vrství anóda – separátor – katóda – separátor. V tejto fáze sme vo vývojovej dielni mohli vidieť dva typy vnútornej konštrukcie. V prvom sú použité súvislé pásy spomínaných vrstiev, ktoré sú následne zabalené do splošteného zvitku. Na jednej strane je potom zlisovaný výstup anódy a na druhej katódy. Takúto konštrukciu článkov využíva aj aktuálny model BMW i3. Druhý typ je charakteristický tým, že materiál elektród aj separátorov je laserom narezaný na plátky presnej veľkosti podľa článku a tie sa spomínaným spôsobom vrstvia na seba podľa kapacity článku. Výhodou tejto koncepcie je podstatne efektívnejšie využitie miesta v článku a navyše tento spôsob umožňuje aj jednoduchší prechod na iné rozmery článkov, ak je to potrebné.

Po zložení vrstiev nasleduje zloženie celého článku, upevnenie vývodov, hermetizovanie obalu a jeho naplnenie tekutým elektrolytom.

Tým je výrobná fáza ukončená. Nasleduje prvé formovacie nabíjanie a otestovanie.

Keďže ide o prototypovú výrobu, články potom podstupujú sériu náročných testov pri rôznych zaťaženiach, rýchlostiach nabíjania, teplotách a podobne. Články sú pri tom umiestnené v špeciálnych komorách, kde sa testovanie vykonáva úplne automaticky a dlhodobo. Výsledky testov potom prispievajú v ďalšiemu zlepšovaniu batérií.

Popri vývoji článkov a batérií, samozrejme, výskumníci vyvíjajú a zdokonaľujú aj výrobné linky a procesy pre sériovú výrobu, aby bolo možné batérie vyrábať rýchlo a efektívne.

 Spoločnosť BMW Group plánuje investovať do tohto centra v priebehu najbližších štyroch rokov 200 miliónov eur a vytvorí 200 pracovných miest. Automobilka má momentálne v ponuke dvanásť elektrifikovaných modelov, v roku 2021 majú tvoriť štvrtinu všetkých vozidiel predaných v Európe. Tieto hodnoty majú do roku 2025 stúpnuť na tretinu a v roku 2030 na polovicu všetkých vozidiel predaných v Európe. Od roku 2023 bude na výber 25 elektrifikovaných modelov.