Spezialgreifer und Endeffektoren für die Batterieproduktion

16.06.2022 | Folien aus Kupfer und Aluminium müssen in der Batterieherstellung einiges aushalten, bevor sie ihre Rolle als Anode und Kathode in einer Batterie wahrnehmen können. Umso sanfter muss die Handhabung zwischen den einzelnen Produktionsschritten sein, doch wie gelingt das? Größte Sorgfalt und Präzision mit einer wettbewerbsfähigen Batteriezellfertigung müssen in Einklang gebracht werden. Als kleine Helfer für einen schonenden Transport der empfindlichen Kathoden, Anoden, Separatoren und Pouchzellen bietet J. Schmalz Spezialgreifer und Endeffektoren.

Vom Pulver zur Pouch in der Batteriefertigung

Zwei Metallfolien und zwei Pasten bilden die Basis einer Antriebsbatterie. Für die Anode wird eine Graphitmasse auf eine Kupferfolie gestrichen. Die Kathode besteht aus einer Alufolie, auf die eine Metalloxid Mischung aus Kobald, Nickel Mangan und Lithium aufgetragen wird. Nachdem die beidseitig beschichteten Folien getrocknet, kalandriert und zurechtgeschnitten wurden, sind sie bereit fürs Stapeln.

„Wir empfehlen hierfür die Spezialgreifer STGG, da sie hochdynamisch mit den sensiblen Folien umgehen können“, erklärt Dr. Maik Fiedler, Leiter der Geschäftsbereiche Vakuum Automation und Vakuum Handhabung. Der STGG greift abwechselnd Anode, Separator, Kathode und wieder Separator, um sie aufeinander abzulegen. Dabei steht die Geschwindigkeit ebenso im Fokus wie präzises Positionieren. Der Greifer darf dabei keine Abdrücke hinterlassen und nicht die empfindliche Beschichtung kontaminieren.

„Unsere Lösung heißt Peek“, sagt Dr. Fiedler. Aus dem chemisch hochbeständigen Polyetheretherketon wird eine Saugplatte mit vielen kleinen Löchern hergestellt, die vollflächig greift.Die ebene Fläche minimiert die Flächenpressung, während die aktive Abblasfunktion des STGG den Pick-and-place Prozess beschleunigt.

Der hohe Volumenstrom verhindert Partikelrückstände auf den Elektroden. Die pneumatische Vakuumerzeugung ohne bewegte Teile qualifiziert den Spezialgreifer für Reinraum und Trockenraum. Der STGG eignet sich auch für das Vereinzeln und Ablegen der dünnen Separatorfolien. Separatoren bestehen meist aus sehr feinporigen biegeschlaffen Vliesen oder Kunststoffen. Sie trennen Kathode und Anode räumlich voneinander und verhindern einen Kurzschluss. Zudem sind sie durchlässig für die positiven Li-Ion.

Diese strömen beim Entladen von der Anode zur Kathode und wandern beim Laden wieder zurück. „Der STGG arbeitet mit einem hohen Volumenstrom und greift dadurch auch poröse Materialien sicher“, erläutert Dr. Fiedler. Die ESD konforme Oberfläche leitet eine elektrostatische Aufladung zuverlässig ab und schützt vor ungewünschter Adhäsion.

Mit Zelle für Zelle zur Battery

Beim fertigen Zellstapel werden die überstehenden Leiterfähnchen gekürzt und der Stapel in eine Pouchfolie gepackt. Rundum versiegelt ist die Pouchzelle startklar für die Elektrolytinjektion. „Die Pouchzellen sind empfindlich und dürfen keinesfalls durch den Greifer deformiert werden. Zudem können sie je nach Einsatz in der Form variieren“, erklärt Dr. Fiedler.

Der Leichtbaugreifer SLG passt sich an jede Geometrie an. Nachdem der Anwender diesne online konfiguriert hat, wird er additiv gefertigt. Strukturierte SFF oder SFB1 Sauger verhindern, dass die Aluverbundfolie der Pouchzelle beim Greifen tiefgezogen wird. Beide kombinieren Abstützflächen in Form von Waben auf der Saugfläche mit einer besonders flachen und weichen Dichtlippe. So packen sie sanft mit hoher Saugraft zu, ohne die Oberfläche der Pouchzelle zu verformen.

Wie und wo das Vakkum erzeugt wird, ist wichtig für die hochdynamische und sichere Handhabung. „Unsere dezentralen Vakuumerzeuger der SCPM Baureihe erfüllen alle Anforderungen. Sie sind kompakt und zugleich saugstark“, sagt Dr. Fiedler. Aufgrund ihrer Größe lassen sie sich nah am Sauggreifer montieren und minimieren so Leistungsverluste. Das Ventil des kompakten Vakuumejektors schließt, wenn kein Strom anliegt. Damit hält der Greifer die Batteriezelle sicher, auch Energieausfall. „Ein weiterer Vorteil ist, dass Anwender spezielle Funktionen in das System integrieren können, wie eine redundante Vakuum-Erzeugung oder Werkstückerkennung“, ergänzt Dr. Fiedler.

In einem Modul werden die Zellen in Reihe oder parallel verschaltet. Mehrere Module ergeben ein Batteriepack. Es vereint je nach Fahrzeugkategorie und Hersteller weniger oder mehr Pouchzellen.

Rundzellen statt flache Pouchzellen

Die vielseitigen Pouchzellen sind flach und geben die Wärme gut ab. Sie nutzen das vorhandene Volumen in einem Batteriemodul optimal aus. Jedoch ist ihre Hülle empfindlich und schützt Anoden, Kathoden und Separatoren nicht vor mechanischen Einflüssen. Auch können sie sich durch Alterungsprozesse aufblähen. In einigen Elektrofahrzeugen und in Unterhaltungselektronik, E-Bikes und Werkzeugen kommen deswegen oftmals zylindrische Hard-Case-Zellen zum Einsatz.

„Für die Handhabung von Rundzellen in der Modulmontage müssen wir den Anwendern Greifer anbieten, die sie frei konfigurieren können. Je nachdem, wie groß die einzelnen Zellen im Durchmesser sind, in welcher Anordnung und wie viele gegriffen werden sollen“, beschreibt Dr. Maik Fiedler. „Dank 3D-Druck ist das ab Losgröße eins problemlos möglich.“

Mit Vakuumsaugern aus dem abdruckarmen Spezialwerkstoff HT1 kann der Anwender die Zellen direkt am Pol greifen. Das Material wirkt gleichzeitig als Isolator. So lassen sich auch geladene Zellen sicher positionieren. Wichtig ist auch hier ein hoher Volumenstrom für schnelles und sauberes Pick-and-place. „Hier punkten integrierte Vakuumerzeuger. Die Ejektoren verfügen über ein Sicherheitsventil, damit auch ohne Strom das Vakuum aufrecht gehalten und die Handhabung abgesichert wird“, ergänzt Dr. Fiedler. Sollen die Rundzellen längs gegriffen werden, empfiehlt er Magnetgreifer SGM in der High-Performance-Ausführung. Ein Dauermagnet sichert die Handhabung. Solange die Batteriehülle ferromagnetisch ist, wird gegriffen.

Manuelle Hebehilfen oder Pick-and-place Greifer

Jetzt ist es fast geschafft: Aus Folien wurden Zellen. Die Zellen sind in Modulen zusammengefasst, die nun in Batteriepacks verbunden und mit Kühlplatten, Verkabelungen und Elektronik komplettiert werden. Der Flächengreifer FQE ist modular und eignet sich sehr gut für vollautomatisierte Pick-and-place Anwendungen. Der Flächengreifer FMP ist ebenso universal. Sein Dichtschaum passt sich selbst an strukturierte Oberflächen an. 

Bei den Arbeitsschritten, die nicht automatisiert sind, entlasten manuelle Hebehilfen wie der Vakuumheber Jumboflex den Bediener. Das können die Kühlmodule sein oder die Abdeckplatten, die am Ende manuell auf den Batteriegehäusen zu platzieren sind. Extra Sicherheit bietet die Safety+-Bedieneinheit: Das Zwei-Hand-Konzept zum Ablösen schützt besonders sensible Werkstücke beim Ablegen. 

Nun ist das Batteriepack bereit für die Dichteprüfung, denn Gehäuse und Kühlsystem dürfen keine Leckage aufweisen. Das Batteriemanagement System bekommt seine Software entsprechend Autotyp. Der erste Lade-/Entladevorgang im Verbund erfolgt unter strenger Aufsicht. Nach dem Labeln mit Warnhinweisen und ID-Tags sind die Batterien fertig für den Transport.