Fakten und Komponenten von und für die Batterieproduktion
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Leistungsfähige Fahrzeug Batterien für die Elektromobilität werden in hochautomatisierten Prozessen hergestellt. Für die effiziente Steuerung der Maschinen und Anlagen in der Batterieproduktion sorgen auch viele Sensoren von Pepperl+Fuchs, die mit verschiedenen Messverfahren arbeiten. Mitsubishi Electric unterstützt ebenfalls die Lithium Ionen Batteriefertigung und sagt ihr eine Trendwende in Europa voraus. Zum Handhaben gibt es vielseitige Vakuum Greifertechnik von J. Schmalz.
Inhalt
- Zukünftige Batterieproduktion in Deutschland und der EU
- Spezialgreifer und Endeffektoren für die Batterieproduktion
- Sensoren für die relevanten Prozessschritte in der Batterieproduktion
- Fertigung von Lithium Ionen Batterien in Europa
- Siemens eröffnet Roboter gestützte Batteriemodulfabrik in Norwegen
Zukünftige Batterieproduktion in Deutschland und der EU
In Europa entsteht in den kommenden Jahren der weltweit größte Batteriemarkt. Deutschland wird dabei zu einem führenden Batterieproduzenten. Von den 900 GWh benötigter Batteriekapazität für Elektroautos bis 2030 werden lt. der RWTH Aachen die Speicher Kapazitäten in Europa auf 1300 GHh steigen. Deutschland werde davon bis Ende des Jahrzehnts über 478 GWh abdecken. Davon sollen 200 GWh von Tesla in Grünheide kommen, 100 GWh von CATL in Erfurt und je 24 GWh von VW und Northvolt aus Salzgitter sowie ACC in Kaiserslautern. Diese Kapazität reicht für ca. 26 Mio. batteriegetriebene Autos mit einem Energiegehalt von 50 kWh oder 13 Mio. Audi A6 E-Trons mit 100 kWh.
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Seit 2009 fördert die Bundesregierung die Elektromobilität und treibt auch die Entwicklung und Fertigung der Batterietechnologie voran. Wirtschaft und Politik arbeiten daran, das Know-how für die Batterieproduktion aufzubauen. Dr. Michael Meister, Parlamentarischer Staatssekretär der Bundesministerin für Bildung und Forschung hat auf dem Batterieforum Deutschland 2021 bekräftigt, dass eine wirtschaftliche Batteriezellproduktion in Deutschland möglich ist. Automobilhersteller melden Kooperationen, Forschungslabore und Testbetriebe zur Serienproduktion bestätigen das. Neben dem Einsatz in der Emobility sind Batterien auch für den Alltag wichtig. Aber auch die stationäre Anwendung ist relevant, zum Beispiel um regenerativ erzeugte Energie zu puffern.
Leistungsfähige Fahrzeug Batterien für die Elektromobilität werden in hochautomatisierten Prozessen hergestellt. Dafür benötigen die Hersteller jede Menge Automatisierungstechnik, die wir Ihnen nachfolgend präsentieren:
Spezialgreifer und Endeffektoren für die Batterieproduktion
16.06.2022 | Folien aus Kupfer und Aluminium müssen in der Batterieproduktion 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? In der Batterieproduktion müssen größte Sorgfalt und Präzision mit einer wettbewerbsfähigen Batteriezellfertigung 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 Lithium-Ionen. 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.“
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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.
Sensoren für relevante Prozessschritte in der Batterieproduktion
07.06.2022 | Die effiziente Steuerung der Maschinen und Anlagen in der Batterieproduktion benötigt viele Sensoren, die mit verschiedenen Messverfahren arbeiten. Die Sensorik von Pepperl+Fuchs gehört in der Automobilindustrie zur Standardausrüstung. Basierend auf einer jahrzehntelangen Erfahrung bietet das Unternehmen alle relevanten Messgeräte für die Batteriefertigung aus einer Hand.
Ultraschallsensoren für Distanz, Abstand und Füllstand
Für die Batterieproduktion von Elektroautos bietet Pepper+Fuchs ein breites Portfolio von bewährten Standardgeräten sowie maßgeschneiderte Automatisierungstechnik für spezifische Anwendungen wie nachfolgend beispielhaft dargestellt:
Drehgeber für die Batterieproduktion
Beschichtete Folien sind das wichtigste Ausgangsmaterial der Lithium Ionen Batterie. Auf großen Rollen angeliefert werden sie in der Batteriefertigung von diesen abgewickelt. Die Abzugsgeschwindigkeit der Rollen messen hochpräzise Drehgeber.
Anhand der Drehzahl lassen sich Wickelstrecke und Materialbestand berechnen. Zudem erlaubt der Wert das Einstellen der richtigen Bahnspannung des Systems und dient zur Steuerung der Materialzufuhr durch Geschwindigkeitskontrolle. Hierfür eignet sich der neue Drehgeber ENI90, der besonders robust ist.
Ultraschallsensor überwacht Materialzuführung
Im nächsten Schritt werden aus den Folienbahnen für die zu produzierenden Batterien passende Stücke ausgestanzt. Anschließend werden diese zu Batteriezellen zusammengefügt. Die Zuführung des gestanzten Materials für die Batteriezelle wird mit Ultraschall Doppelbogensensoren wie den UDC-18GS überwacht.
Ausgestattet mit zwei Ultraschallwandlern erkennen sie, ob sich ein, zwei oder kein Bogen im Erfassungsbereich befindet. Bei einer doppelten Abstapelung wird der Prozess gestoppt. So wird die Batterie Kapazität durch doppelte Lagen gleicher Polarität verringert. Die Doppelbogenerkennung mit Ultraschall ist unabhängig vom Umfeld und den optischen Materialeigenschaften. Die oft glänzenden Folien werden zuverlässig erkannt.
Vision Sensor überprüft Position
Aus den verbundenen Folienschichten entstehen Zellen, die zu fertigen Batteriepacks zusammengefügt werden. Bei der Herstellung kommt es darauf an, dass alle benötigten Batteriezellen tatsächlich vorhanden sind und sich an der richtigen Position im vorgegebenen Raster befinden. Zur Überprüfung erstellt der Vision Sensor Smartrunner Explorer 3D ein präzises 3D Punktwolkenbild. Damit wird die tatsächliche Situation mit der geforderten Anordnung abgeglichen. Erst wenn alles passt, wird der Fertigungsschritt zum Verbinden der Zellen eingeleitet.
Fertigung von Lithium Ionen Batterien in Europa
12.05.2022 | Die Fertigung von Lithium Ionen Batterien in Europa war bislang kaum der Rede wert. Im Zuge der Elektromobilität wird nun eine Trendwende in der Batterieproduktion erforderlich. Michael Grondowski, Business Development Manager – Central Europe bei Mitsubishi Electric Europe B.V: „Angekündigt sind Produktionsanlagen für eine Jahresleistung von insgesamt rund 750 GWh. Das entspricht ca. 12 Millionen Autos“.
Mit Hauptsitz in Japan unterstützt der Konzern bereits in Asien die Branche. Zudem verfügt er über das Automatisierungs-Know-how für die Herstellung der Energiespeicher. Ab sofort können auch Maschinen, Anlagenbauer und Batteriehersteller in Europa von den speziellen Komponenten und Technologien profitieren.
Servoverstärker, Zugspannungsregler, Wickeltechnik und IPC
Die Batteriezellenfertigung ist Präzisionsarbeit und verlangt beste Regelungstechnik. Das Unternehmen bietet hierfür die leistungsstarken Servoverstärker der neuen Serie Melservo MR-J5. Als Automatisierungsnetzwerk kommt CC-Link IE TSN zum Einsatz, das mit 1 Gbit Bandbreite operiert. Es integriert Antriebsnetzwerk, Feldbus, Safety- und die offene TCP/IP Kommunikation.
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Mit Zugspannungsreglern stehen weitere Komponenten kurz vor der Einführung. Sie sorgen mit exakten und stabilen Regelungsprozessen in den Roll-to-Roll-Anwendungen der Zellenfertigung für einen komplett gleichmäßigen Auftrag des Anoden- und Kathodenmaterials auf das Substrat. Denn die Schichtdickenpräzision beeinflusst unmittelbar die Leistungsfähigkeit der Zelle. Spezielle Wickeltechnik Komponenten in Form von Magnetpulverbremsen und Kupplungen, Frequenzumrichtern und hochpräziser Servotechnik mit Absolut-Encoder Auflösung von 26 Bit pro Motorumdrehung unterstützen außerdem.
„Die Grundvoraussetzungen für immer hochwertigere Batteriezellen sind ein leistungsfähiges Netzwerk für die Anlagenüberwachung und Lösungen wie das KI Paket für den Melpic Industriecomputer“, sagt Herr Grondowski. „Damit lassen sich Qualitätsdaten in Echtzeit auswerten, bevor sie das Produkt negativ beeinflussen.“
Siemens eröffnet Roboter gestützte Batteriemodulfabrik in Norwegen
29.01.2019 | Siemens eröffnete heute zusammen mit der norwegischen Ministerpräsidentin Erna Solberg in Trondheim/Norwegen eine der fortschrittlichsten und robotergestützten Batteriemodulfabriken weltweit. Zukünftig werden hier täglich 55 Batteriemodule pro Schicht für den Marine- und Offshoremarkt montiert. "Wir gehen davon aus, dass dieser Markt in Zukunft deutlich wachsen wird. Aus diesem Grund haben wir stark in die Entwicklung sicherer und zuverlässiger Batterielösungen investiert", sagt Bjørn Einar Brath, Leiter Offshore Solutions bei Siemens.
Die Fabrik umfasst eine robotisierte und digitalisierte Produktionslinie mit acht Roboterstationen mit einer Kapazität von bis zu 300 MWh pro Jahr. Vom Auspacken der eingehenden Produktionsteile bis zur Prüfung des fertigen Batteriemoduls läuft die Montage komplett automatisiert ab. Eine Batterie besteht hierbei aus neun Batteriemodulen, wobei sich jedes Modul aus 28 Batteriezellen zusammensetzt.
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