Präzise, beschädigungsfreie Handhabung von empfindlichen Anoden, Kathoden und Separatoren ist eine wesent- liche Voraussetzung für prozesssichere und wirtschaftliche Produktion von Lithium-Ionen-Batterien.
Exklusiv in KEM Der Autor Edgar Grundler ist freier Fachjournalist in Glatten
Im Unterschied zu asiatischen Anbietern setzen viele europäische Hersteller und Anlagenbauer aufgrund höherer Leistungsdichten und thermischer Stabilität nicht auf zylindrische Batteriezellen, die im Wickelverfahren hergestellt werden, sondern auf sogenannte Pouch-Zellen, die gestapelt werden. Noch machen die Herstellkosten von Lithium-Ionen-Batterien beispielsweise einen zu großen Teil der Gesamtkosten eines Fahrzeugs aus und bremsen die politisch gewollt schnelle Verbreitung der Elektromobilität.
Der Kostendruck zwingt die Hersteller, nicht nur die technische Effizienz der Energiespeicher, sondern auch deren Herstellungsprozess hinsichtlich Durchsatzquote, Ausschussrate, Produktqualität und Uptime der Anlage stetig zu verbessern. Dies kann unter anderem durch innovative Handhabungstechnologien erreicht werden: Die extrem dünnen, empfindlichen Anoden, Kathoden und Separatoren, aus denen eine Batteriezelle aufgebaut ist, müssen per Pick-and-Place extrem dynamisch, reproduzierbar genau und kontaminationsfrei vereinzelt, gestapelt, gepuffert und transportiert werden. Doch dabei stoßen konventionelle Greiferlösungen schnell an ihre Grenzen.
Konstruktive Details für mehr Effizienz
Setzt man beim Handhaben der extrem dünnen Folien (20 bis 100 μm) herkömmliche Vakuumsauggreifer ein, treten starke mechanische Belastungen und chemische Verunreinigungen auf. Bei der Handhabung mithilfe von Bernoulli-Greifern müssen dagegen Einbußen bei Zyklusgeschwindigkeit, Positioniergenauigkeit und Verunreinigung des Prozessraums durch Druckluft in Kauf genommen werden. Um diese Nachteile zu eliminieren, hat der Schwarzwälder Vakuumtechnik-Spezialist Schmalz einen innovativen Greifer entwickelt.
Der Batteriegreifer „SBG“ für automatisierte Batteriezellen-Fertigung ermöglicht verschiebungs- und beschädigungsfreie Handhabung mit maximaler Ausbringungsmenge (Zyklen < 1 s), reproduzierbarer Posi- tionsgenauigkeit (< 0,3 mm) sowie extremer Prozesssicherheit und hoher Anlagenverfügbarkeit (zum Beispiel durch Integration eines Sensors, der Doppellagenhandhabung von Elektroden registriert). Durch Kontaminationstests des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart wurde außerdem ein ideales Abdruckverhalten bestätigt, was für hohen Wirkungsgrad der gefertigten Zellen sorgt.
Der SBG ermöglicht durch einen extrem schnellen Vakuumaufbau (< 20 ms), eine aktive Ablegfunktion und hohe Querkraftaufnahme dynamische, präzise und sichere Handling-Zyklen. Die dezentrale Vakuumerzeugung unterstützt das schnelle und sichere Ansaugen, während eine integrierte Abluftführung die zur Vakuumerzeugung verwendete Luft ableitet und dadurch verhindert, dass Schmutzpartikel in den Prozessraum gelangen.
Bei konventioneller Vakuumhandhabung ist die Vermeidung der Doppelbelegung sehr zeitaufwändig, da sie in 100 % der Handhabungsvorgänge erfolgen muss, und nimmt einen großen Teil der effektiven Gesamtzykluszeit in Anspruch (Scherung/Biegung der Elektroden, Abschütteln). Anders geschieht dies beim SBG mit integriertem Doppellagensensor „on the fly“. Und zwar nur dann, wenn Sensor und Steuerung tatsächlich eine Doppelbelegung registrieren. Da dies innerhalb von 10 ms und damit gegebenenfalls noch innerhalb des Stapelkorbes von statten geht, besteht die Möglichkeit, diese Doppelbelegung durch nochmaliges Vorbeiführen der Folie an den Vereinzelungsdüsen aufzuheben und den Prozess unterbrechungsfrei fortzusetzen. So kann bei einer Doppelbelegungsquote von 10 % die effektive Zykluszeit um 20 bis 30 % reduziert werden. Da der Doppellagensensor auf die unterschiedliche Materialbeschaffenheit der Anoden, Kathoden und Separatoren teachbar ist, lässt sich die Kontrolle dementsprechend prozesssicher durchführen.
Optional kann der SBG mit schnell schaltenden Elektromagnetventilen ausgestattet werden, um beim schnellen Pick and Place die Laufzeitverzögerung der Druckluft in den Zuleitungsschläuchen zu eliminieren, die ein Vielfaches der eigentlichen Ansaugzeit beträgt. Die Saugflächen des Batteriegreifers sind aus dem kontaminationsfreien Spezialwerkstoff PEEK gefertigt und können durch gelenkige Aufnahmen flexibel ausgerichtet werden, um sich optimal an das Werkstück anzupassen. Flexible Flansche machen die problemlose Anbindung an alle gängigen Industrieroboter möglich.
Schmalz;
Telefon: 07443 2403-103;
E-Mail: greifsysteme
@schmalz.de
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