Pick it easy. Vakuum-Greifer für effiziente Batteriezellen-Produktion

31.01.2012

Um Lithium-Ionen-Batterien prozesssicher und wirtschaftlich zu produzieren, müssen empfindliche Anoden, Kathoden und Separatoren präzise und beschädigungsfrei gehandhabt werden können.

Die Marktentwicklung in der Elektromobilität und der dezentralen Speicherung erneuerbarer Energien zeigt einen massiv wachsenden Bedarf an wirtschaftlichen und leistungsfähigen Speichertechnologien. Lithium-Ionen-Batterien sind in Laptops und Handys bereits Stand der Technik; sie haben einen hohen technologischen Reifegrad erreicht. Auch in der Elektromobilität und der dezentralen Speicherung von PV-Strom sind sie die interessanteste Option. Denn aus heutiger Sicht erfüllen sie am besten die Anforderungen an Lebensdauer, Energiedichte und Leistungsdichte.
Im Unterschied zu asiatischen Anbietern setzen viele europäische Hersteller und Anlagenbauer wegen den höheren Leistungsdichten und der thermischen Stabilität auf die sogenannten Pouch-Zellen statt auf zylindrische Batteriezellen, die im Wickelverfahren hergestellt werden. Bei den Pouch-Zellen sind die einzelnen Lagen des Aktivmaterials gestapelt oder gefaltet und in einer flexiblen Aluminiumverbundfolie verpackt.

Noch nehmen die Herstellkosten von Lithium-Ionen-Batterien einen zu großen Teil der Gesamtkosten eines Fahrzeugs ein und bremsen die politisch gewollt schnelle Verbreitung der Elektromobilität. Der Kostendruck zwingt die Hersteller, sowohl die Energiespeicher technisch effizienter zu machen, als auch deren Herstellungsprozess stetig zu verbessern. Das gilt besonders im Hinblick auf die Durchsatzquote, Ausschussrate, Produktqualität und die Verfügbarkeit der Anlage. Erreichen lässt sich dies zum Beispiel durch innovative Handhabungstechnologien: Denn die extrem dünnen, empfindlichen Anoden, Kathoden und Separatoren, aus denen eine Batteriezelle aufgebaut ist, müssen per Pick-&-Place hochdynamisch, reproduzierbar genau und kontaminationsfrei vereinzelt, gestapelt, gepuffert und transportiert werden. Konventionelle Greiferlösungen stoßen dabei schnell an ihre Grenzen.

Konstruktive Details für mehr Effizienz
Werden die extrem dünnen Folien (20 bis 100 μm) mit herkömmlichen Vakuumsauggreifern transportiert, sind sie starken mechanischen Belastungen und chemischen Verunreinigungen ausgesetzt. Kommen dagegen Bernoulli-Greifer zum Einsatz, müssen Einbußen in der Zyklusgeschwindigkeit und der Positioniergenauigkeit in Kauf genommen werden. Zudem kann die Druckluft den Prozessraum verunreinigen. Der Schwarzwälder Vakuumtechnik-Spezialist Schmalz hat mit dem Batteriegreifer SBG eine innovative Lösung entwickelt, die diese Nachteile vermeidet.

Mit dem Schmalz Batteriegreifer für automatisierte Batteriezellen-Fertigung kann der Anwender Elektroden und Separatoren verschiebungs- und beschädigungsfrei handhaben. Er erreicht dabei eine maximale Ausbringungsmenge (Zyklen < 1 s), eine reproduzierbare Positionsgenauigkeit (< 0,3 mm) sowie eine sehr hohe Prozesssicherheit. Wegen des sehr schnellen Vakuumaufbaus (< 20 ms), der aktiven Ablegfunktion und der hohen Querkraftaufnahme sind mit dem SBG dynamische, präzise und sichere Handling-Zyklen möglich. Die dezentrale Vakuumerzeugung unterstützt das schnelle und sichere Ansaugen. Integriert ist zudem eine Abluftführung: Die Luft für die Vakuum-Erzeugung wird abgeleitet, somit können keine Schmutzpartikel in den Prozessraum gelangen. Dadurch, dass zusätzlich ein Sensor integriert werden kann, der die Doppellagenhandhabung von Elektroden registriert, lässt sich eine hohe Anlagenverfügbarkeit erzielen. Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart hat durch Kontaminationstests außerdem ein ideales Abdruckverhalten bestätigt. Das gewährleistet einen hohen Wirkungsgrad der gefertigten Zellen.

Bei der Handhabung mit konventionellen Vakuumsaugern nimmt die Vermeidung von Doppelbelegungen einen großen Teil der effektiven Gesamtzykluszeit in Anspruch: Sie ist aufwändig (Scherung/Biegung der Elektrode, Abschütteln) und muss bei jedem einzelnen Stapelvorgang erfolgen. Dagegen erfolgt der Ausschluss von Doppelbelegungen beim SBG „on the fly“: Innerhalb von 10 ms signalisieren Sensor und Steuerung, ob mehrere Elektroden / Separatoren aufgenommen wurden. Da sich der Greifer dann immer noch innerhalb des Stapelkorbes befindet, kann er die Folie erneut an der Vereinzelungsdüse vorbeiführen und den Prozess unterbrechungsfrei fortsetzen. Auf diese Weise lässt sich die effektive Zykluszeit bei einer Doppelbelegungsquote von 10 % um bis zu 30 % reduzieren. Da der Doppellagen-Sensor auf die unterschiedliche Material-Beschaffenheit der Anoden, Kathoden und Separatoren teachbar ist, lässt sich die Kontrolle dementsprechend prozesssicher durchführen.
Optional kann der SBG mit schnell schaltenden Elektromagnetventilen ausgestattet sein, um beim schnellen Pick-&-Place die Laufzeitverzögerung der Druckluft in den Zuleitungsschläuchen zu eliminieren, die ein Vielfaches der eigentlichen Ansaugzeit beträgt. Die Saugflächen des SBG 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 des SBG an alle gängigen Industrieroboter möglich.

Systemaufbau Schmalz Batteriegreifer SBG

(1) Roboteranbindung
(2) Kontrollierte Abluftführung
(3) Optionale Aufnahme für schnell schaltende Druckluftventile
(4) Integrierte Vakuum-Erzeugung
(5) Saugfläche
(6) Sensoraufnahme z.B. für Doppelbelegungsprüfung
(7) Optionale Aufnahme für Vakuumschalter
(8) Gelenkige Aufnahme für flexible Greiferausrichtung

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