Automatisierung für die Batterieproduktion

Zuverlässige Rohstoffzufuhr

In der Batteriezellenproduktion werden die flüssigen und körnigen Rohstoffe über pneumatisch gesteuerte Prozessventile zugeführt. Diese Materialien sind oft extrem abrasiv und korrosiv. Um den Prozess sicher zu gestalten, müssen die benötigten Automatisierungskomponenten äußerst robust sein.

Genau das bieten die hochwertigen Absperrklappeneinheiten von Festo, bestehend aus Absperrklappe, Drehantrieb, Pilotventil und Sensorbox. Zudem sind sie komplett vormontiert und geprüft, was eine schnelle und effiziente Inbetriebnahme ermöglicht. Die pneumatische Ansteuerung erfolgt über das neue modulare Steuerungssystem CPX-E in Verbindung mit der preisattraktiven Ventilinsel VTUG aus dem Festo Kernsortiment sowie den Schläuchen PUN-H, Verschraubungen NPQE-F1A, Drossel-Rückschlagventil VFOE-F1A.

Exaktes Mischen

Beim Mischen entsteht eine homogene Umhüllungspaste (Slurry), die beim anschließenden Umhüllungsprozess auf die Elektrodenfolien aufgetragen wird.

Für die Zuführung der Rohstoffe in den Mischer bietet Festo eine komplette Einheit aus Kugelhahn, Schwenkantrieb, Pilotventil und Sensorbox an. Die montierte und geprüfte Einheit stellt sicher, dass die Aktivstoffe, leitfähigen Additive, Lösungsmittel und Bindemittel in der exakten, von der Rezeptur geforderten Menge zugeführt und mit der richtigen Durchflussmenge gefördert werden. Wird ein Proportionalregler benötigt, so kann auch der Stellungsregler CMSX eingesetzt werden.

Richtige kontrollierte Trocknung

Um die Elektroden zu trocknen, werden die Prozesskammern kontinuierlich evakuiert, um die Feuchtigkeit zu entfernen. Dazu muss im Trockner ein Unterdruck erzeugt werden, der durch die in den vorherigen Prozessschritten beschriebenen Prozessventileinheiten gesteuert wird. Die feuchtigkeitsbeladene Luft wird mit einer Absperrklappe oder einem Kugelhahn aus dem Gerät abgesaugt. Festo bietet beide Typen an. Die Anbaumethode wird vom Kunden bestimmt. Der Stellungsregler CMSX ist ideal, wenn ein Proportionalregler benötigt wird.

Hochpräzises Kalandrieren

Nach dem Trocknen wird die Elektrodenfolie abgekühlt, durch rotierende Walzen verdichtet und homogenisiert. Dabei wird die Folie über verschiedene Umlenkrollen geführt und über eine Tänzersteuerung präzise gespannt und entspannt.

Für eine gleichmäßige Vorschubgeschwindigkeit muss die Folie zudem in Tänzerwalzen zwischengespeichert werden.
Dies kann mit dem normgerechten Zylinder DSBC in Kombination mit einem Druckregler VPPE oder dem neuen VPPI erfolgen. Der DSBC ist auch in einer reibungsarmen Version erhältlich. Werden nur kurze Hübe benötigt, empfiehlt sich der einzigartige Fluidic Muscle DMSP als Aktor. Der DMSP ist ebenfalls reibungsfrei, arbeitet also absolut präzise und erreicht eine maximale Wiederholgenauigkeit. Die pneumatische Ansteuerung erfolgt mit der preisgünstigen Ventilinsel VTUG-F1A in Verbindung mit dem Einzelventil VUVG-F1A aus dem Festo Kernsortiment sowie den Wartungseinheiten MS-F1A, Schläuchen PUN-H, Steckverschraubungen NPQR.

Messerschonendes Schneiden und sicheres Fixieren mit Bahnfängern

Beim Schneiden wird ein breiter Streifen Elektrodenfolie in mehrere schmale Streifen zerschnitten. Dieser Schneidvorgang kann thermisch mittels Laserschneiden oder mechanisch mit einem Rollschneider durchgeführt werden. Um die Lebensdauer des Messers zu verlängern, wird bei diesem Vorgang eine Kühlflüssigkeit direkt auf die Klinge gesprüht. Die Flüssigkeit muss kontrolliert und in sehr kleinen Mengen dosiert werden. Der Dosierkopf VTOE von Festo ist für diese Aufgabe bestens geeignet.

Bleibt die Maschine während des Schneidvorgangs stehen, werden die Elektronenstreifen mit so genannten Web Catchern gesichert. Schnell schaltende Ventile MHE4 und Zylinder DSBC mit geringen Reibungseigenschaften sorgen für eine schnelle Reaktionszeit und Geschwindigkeit.

Perfekte Staubentfernung beim Schneiden

Die beim Schneiden entstehenden Staubpartikel werden durch ein spezielles vakuumbasiertes Staubabsaugsystem aufgefangen. Dieses Vakuum wird durch Prozessventileinheiten mit Kugelhahn (bestehend aus SRBC, DPFD, VSNC, VZBD) oder mit einer Absperrklappeneinheit geregelt.
Die Staubablagerungen werden mit Impulsventilen aus den Staubsammelbehältern abgesaugt. Das Impulsventil VZWE mit seiner hohen Durchflussmenge ist für diese Aufgabe ideal. Das gesamte System kann mit einer CPX-E gesteuert werden. Alle eingesetzten Ventile VZWE können als Gruppe mit einem Signal über CPX-AP-I-Module in Reihe angesteuert werden, was die Installation erheblich erleichtert.

Schneller Werkzeugwechsel beim Stanzen und Trennen

Im nächsten Schritt des Produktionsprozesses werden die elektrischen Kontaktfahnen aus den Elektrodenstreifen ausgestanzt. Bei der Herstellung von Pouch-Zellen wird der Elektrodenstreifen auch in Separatorblätter geschnitten. Dieser Prozess erfordert Maschinen mit sehr schweren Schneid- oder Stanzeinheiten. Diese sind oft so schwer, dass Tätigkeiten wie der Werkzeugwechsel nicht manuell durchgeführt werden können.

Mit der Balancer-Lösung YHBP von Festo lassen sich auch schwere Werkzeuge im Servicefall schnell und sicher bewegen und wechseln. Der Balgzylinder EB ist die perfekte Lösung, um das Werkzeug aus seiner Position zu lösen, da er nur wenig Höhe benötigt. Das heißt, er passt problemlos unter das Werkzeug und hat dennoch genug Kraft, um das schwere Teil anzuheben. Der EB ist daher zusammen mit dem Balancer-Kit YHBP die perfekte Kombination für den Wechsel schwerer Werkzeuge.

Präzises und energieoptimiertes Stanzen und Trennen

Je nach Anlagenkonzept werden die vereinzelten Bleche nach dem Stanzvorgang in einem Magazin gespeichert oder direkt dem nächsten Prozessschritt zugeführt. Für den sicheren Transport werden die Bleche auf den gelochten Transportbändern mittels Vakuum fixiert.

Das dazu notwendige Vakuum wird über eine Prozessventileinheit, bestehend aus einer Absperrklappe KVZA, einem Drehantrieb DFPD, einem Pilotventil VSNC und einer Sensorbox SRBC, geregelt. Ein manuell betätigter Kugelhahn VZBF dient als Ablassventil. Die einzelnen Vakuumleitungen werden über ein Quetschventil VZQA geregelt, das über einen Proportionaldruckregler VPPE angesteuert wird. Dies ermöglicht eine präzise Regelung des gewünschten Vakuums und optimiert den Energieverbrauch.

Stapeln mit hoher Geschwindigkeit

Bei der Herstellung von Pouch-Zellen wird ein Stapelverfahren angewandt; für die Herstellung von Rundzellen und prismatischen Zellen ist auch ein Wickelverfahren erforderlich. Beim Stapelprozess werden die Elektrodenbleche in einem sich wiederholenden Zyklus aus Anode, Separator, Kathode, Separator etc. gestapelt. Für diesen Prozessschritt bietet Festo komplette elektrische Handlingsysteme, bestehend aus Achskinematiken, Motoren und Servoantrieben. Alle Komponenten sind perfekt aufeinander abgestimmt.

Die einbaufertigen Portallösungen EXCM, EXCH, YXCR sind mit Kombinationen aus den kostengünstigen elektrischen Achsen ELGC, Minischlitten EGSC und Drehmodulen ERMO konzipiert.

Die für die maximale Leistung erforderlichen sehr hohen Geschwindigkeiten werden durch das schnell schaltende Ventil MHJ9 mit Schaltfrequenzen von bis zu 500 Hz erreicht. Das für die Aufnahme und den Transport der Elektrodenblätter benötigte Vakuum wird durch Vakuumerzeuger VN erzeugt. Die Auf- und Abwärtsbewegungen der Magazine werden kostengünstig durch Elektrozylinder EPCC oder elektrische Linearachsen ELGD ausgeführt. Überwacht werden können die Prozesse durch eine breite Palette von Sensoren oder Kameras, die Festo anbietet. Gesteuert wird schließlich alles über das neue Steuerungssystem CPX-E.

Präzision für perfektes Wickeln

Vor dem Aufwickeln der Elektrodenstreifen wird ein kurzer Stopp eingelegt, damit sie von einem stationären Schneidewerkzeug auf die gewünschte Länge geschnitten werden können. Dann werden die geschnittenen Tochtercoils schnell und präzise in die Wickelmaschine geführt.

Dazu ist ein hochpräzises Ladesystem mit synchronisierten Bewegungen erforderlich. Für die notwendige Präzision sorgt ein Handlingsystem, bestehend aus Greifern DHPC, Pneumatikventilen VUVG-F1A, elektrischen Spindelachsen ELGC-BS, Servomotoren EMMT-AS und Servoantrieben CMMT-AS. Auch sie wird über das neue, modulare Steuerungssystem CPX-E gesteuert.

Runde und prismatische Batteriezellen: Präzises und sauberes Wickeln und Schneiden

Beim Wickelverfahren für runde und prismatische Batteriezellen wird eine "Jelly Roll" hergestellt, die aus einem Anodenstreifen, einem Separator und einem Kathodenstreifen besteht. Um die Bewegung der Streifen genau zu steuern, muss eine große Anzahl von Tänzerrollen und Bahnkanten präzise und gleichmäßig bewegt werden. Um dies zu erreichen, werden der Fluidische Muskel DMSP, der Proportionaldruckregler VPPE und der Präzisionsdruckregler LRP-F1A zu einer innovativen Lösung kombiniert.

Der DMSP ist ein völlig reibungsfreier Aktor, während der VPPE durch seine einzigartige Piezotechnologie ein absolut gleichmäßiges Regelverhalten aufweist. Zusammen ergeben sie ein extrem präzises Tänzerregelsystem. Sobald die Gelee-Rolle einer prismatischen Batteriezelle im Wickelprozess die erforderliche Dicke erreicht hat, werden die übereinander liegenden Elektrodenstreifen durchtrennt. Bei dieser Anwendung muss der Schneidvorgang äußerst präzise und zuverlässig sowie auf engstem Raum durchgeführt werden. Der Clean-Design Kompaktzylinder ADN-F1A ist hier die perfekte Lösung. Durch seine glatten Oberflächen und die integrierten Näherungssensoren ist der CDC sehr leicht zu reinigen und Elektrodenpartikel, die z.B. beim Schneiden entstehen, können einfach entfernt werden.

Sicheres und präzises Befüllen mit Elektrolyt

Nach dem Einsetzen des Zellstapels oder der Jelly Roll in das Batteriegehäuse kann die Batteriezelle mit Elektrolyt befüllt werden. Die Dosierung des Elektrolyten erfolgt über das Quetschventil VZQA. Die Ansteuerung des Quetschventils erfolgt über Einzelventile VUVG-F1A oder Ventilinseln VTUG-F1A - allesamt kompakte, leistungsstarke und preislich attraktive Ventile aus dem Kernsortiment von Festo.

Die extremen Umgebungsbedingungen beim Abfüllprozess erfordern chemikalien- und temperaturbeständige Materialien. Die Pneumatikschläuche PFAN und die Edelstahlverschraubungen NPQR sind für diese Aufgabe bestens geeignet. Da das Elektrolyt mit Wasser reagiert und Flusssäure bildet, muss die Umgebungsluft beim Befüllen der Batteriezellen sehr trocken sein. Um dies zu gewährleisten, wird die Luft kontinuierlich evakuiert und aus der Maschinenzelle entfernt. Das dazu notwendige Vakuum wird zentral über eine Vakuumpumpe erzeugt. Die Regelfunktion wird durch ein System aus Quetschventilen VZQA, Vorsteuerventilinseln VTUG-F1A und Drucksensoren SPAN übernommen.

Genaue und zuverlässige Positionierung für die Formation

Unter Formation versteht man den anfänglichen Prozess des Ladens/Entladens der Batteriezellen. Die Zellen werden in Formationstrays in Regalsystemen gelagert und während der Formation wiederholt geladen und entladen. Dieser Vorgang dauert einige Stunden. Da die Formationsböden sehr groß sind, werden Handlingsysteme mit langen Achsen und hohen Geschwindigkeiten benötigt.

Hier kann Festo auf eine langjährige Erfahrung mit vergleichbaren Systemen zur Prüfung von Festplatten zurückgreifen. Zum Programm gehören daher auch zahlreiche Lösungen zum Be- und Entladen der Formationstrays wie Handlingsysteme mit elektrischen Portalachsen ELGD und elektrischen Schlitten EGSC als Linearpositionierer. Der große Vorteil der ELGD ist das magnetisch abdichtende Abdeckband aus Edelstahl, das die Partikelemission auf ein Minimum reduziert. Angetrieben und gesteuert werden die Achsen von den Servomotoren EMMT-AS und dem Servoantrieb CMMT-AS. Die Bewegungsfunktion wird durch das neue modulare Steuerungssystem CPX-E mit CODESYS-Programmierung ausgeführt. Das Festo Kamerasystem stellt sicher, dass die Batteriezelle exakt auf der Ladeposition positioniert ist.

Präzise kontrollierte Entgasung

Während des Formierungsprozesses bildet sich Gas in der Batteriezelle. Dieses muss aus den bereits verschlossenen Batteriezellen abgesaugt werden - ohne Elektrolytverlust. Dazu wird die Batteriezelle mit einer Hohllanze durchstochen und das Gas abgesaugt, bis auch der Elektrolyt abgezogen ist. Dann schaltet das System um und bläst den abgesaugten Elektrolyt zurück in die Batteriezelle, während die restliche Gasmenge dauerhaft entfernt wird.

Das dazu notwendige Vakuum wird ebenfalls über eine Vakuumpumpe erzeugt und über Quetschventile VZQA und Drucksensoren SPAN gesteuert. Da bei diesem Vorgang das Vakuum und der Einblasimpuls sorgfältig gesteuert werden müssen, empfiehlt sich auch hier der Proportionaldruckregler VPPE in Kombination mit hochpräzisen Drucksensoren SPAN.

Verschiedene Handhabungslösungen für die Modulmontage

Nach der Produktion der einzelnen Batteriezellen werden diese zu Batteriemodulen zusammengesetzt. Dazu wird eine bestimmte Anzahl von Rund- oder Pouch-Zellen in Modulgehäuse eingebaut und durch Klebeprozesse fixiert. Mit einem Sitzventil VZXA oder einer kompletten Prozessventileinheit mit Kugelhahn, Schwenkantrieb, Vorsteuerventil und Sensorbox kann die benötigte Menge an Klebstoffkomponenten oder Klebstoff exakt dosiert werden.

Der Dosierkopf zum Setzen der Klebepunkte oder Auftragen einer Kleberaupe wird mit Handlinglösungen von Festo bewegt. Das Einlegen der Batteriezellen in die Batteriemodule erfolgt über Pick & Place-Anwendungen. Je nach Länge der Achsen und den Anforderungen an die Genauigkeit eignen sich für diese Aufgabe Portalsysteme mit Einzelachsen ELGD oder hochdynamische Flächenportale EXCH. Alle Achssysteme sind immer mit den Servomotoren EMMT-AS und den Servoantrieben CMMT-AS ausgestattet.

Prismatische Batteriezelle: Kostengünstiges Pressen

Bevor die gewickelten Elektrodenstreifen in das Batteriegehäuse eingesetzt werden, müssen sie in einem Pressvorgang komprimiert werden. Der Servopressen-Bausatz YJKP ist ideal für eine solche Pressanwendung.

Er umfasst drei Komponenten: eine modulare Steuerung, eine Bediensoftware und das passende elektromechanische System von Festo. So entsteht ein Paket aus spindelgetriebenem Presszylinder, Motor, Motorregler, Kraftsensor und Steuerung - alles, was man für elektrische Pressanwendungen bis 50 kN braucht. Das Be- und Entladen erfolgt über eine Pick & Place-Lösung mit elektrischen Achsen, wie den elektrischen Achsen ELGD und EGSC, die miteinander verbunden und mit einer Vakuum-Greiferlösung kombiniert werden.

Successstory: Batteriefertigung der Zukunft

Elektrofahrzeuge liegen im Trend. Entscheidender Erfolgsfaktor sind leistungsstarke und kostengünstige Batterien. In Großbritannien legt das Pilotprojekt AMPLiFII bei WMG den Grundstein für eine neue Generation von Antriebsbatterien. Daran beteiligt: innovative Automatisierungstechnik von Horizon Instruments mit Festo Pick-and-Place-Lösung.

Lesen Sie die ganze Erfolgsgeschichte.