Pneumatikzylinder Aktoren für die Batteriezellenproduktion

Degassing und Sealing sind Kernprozesse der Batteriezellenproduktion. Dabei werden die Batteriezellen mit Lanzen angestochen und das bei der Kontaktierung entstehende Formiergas abgesaugt. Pneumatische und elektromechanische Aktoren von Festo sorgen dabei für das Handling und Anstechen.

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Kern der Anwendung ist die Prozesskammer. Pneumatische und elektrische Aktoren manipulieren hohle Lanzen und stechen die Batteriezellen an.
Kern der Anwendung ist die Prozesskammer. Pneumatische und elektrische Aktoren manipulieren hohle Lanzen und stechen die Batteriezellen an.
(Bild: Festo)

Um Batteriezellen zu produzieren, sind komplexe Vorgäng notwendig, von denen man selten schon gehört hat: Degassing (Entgasung) und Sealing (Abdichtung) gehören dabei zu den Kernprozessen. Eine wichtige Rolle hierbei spielen elektrische und pneumatische Aktoren von Festo.

So funktionieren die Lade- und Entladevorgänge der Batteriezelle

Das Formieren bezeichnet die initialen Lade- und Entladevorgänge der Batteriezelle. Dafür werden die Zellen in Formierplätzen in Regalsystemen gelagert. Dort werden sie während der Formierung mehrfach aufgeladen und wieder entladen. Da die Formiersysteme sehr groß sind, sind Handhabungssysteme mit langen Hüben und hohen Geschwindigkeiten notwendig. Passende Lösungen hierfür mit elektrischen Portalachsen und Schlitten kommen vom Automatisierungsspezialisten Festo. Das Unternehmen kann dafür auf langjährige Erfahrungen aus vergleichbaren Systemen für das Testen von Festplatten zurückgreifen.

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Während der Formierung kommt es zur Gasbildung in der Batteriezelle. Dieses Gas muss aus den bereits verschweißten Batteriezellen abgesaugt werden – ohne dabei Elektrolyt zu verlieren. Dazu bewegen Pneumatikzylinder die hohlen Lanzen, die die Batteriezellen in der Entgasungskammer anstechen, und das Gas so lange evakuieren, bis das erste Elektrolyt mit angesaugt wird. Das System schaltet dann um und bläst das angesaugte Elektrolyt zurück in die Batteriezelle. Anschließend wird die Restmenge an Gas entfernt. Nach dem Absaugvorgang werden die Zellen wieder versiegelt, was typischerweise durch Thermo- oder Ultraschallschweißen erfolgt.

In der Batterieproduktion sind hohe Geschwindigkeit und hoher Durchsatz gefragt

Bei Anwendungen in der Batterieproduktion sind hohe Geschwindigkeiten und ein hoher Durchsatz sowie Zuverlässigkeit und Wiederholgenauigkeit gefragt. Bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien spielt die Produktionsumgebung eine entscheidende Rolle. Vor allem eine niedrige Luftfeuchtigkeit und möglichst geringe Verunreinigungen durch Störpartikel während des Produktionsprozesses haben großen Einfluss auf die Qualität und Sicherheit der hergestellten Batteriezelle.

Im Mittelpunkt einer Degassing-Anwendung steht die Prozesskammer. Ein Auslegerhandling auf Basis der Spindelachsen ELGT von Festo sorgt für das dynamische und sichere Beladen und Entladen der Prozesskammern. Die kompakten und günstigen Spindelachsen ELGT mit integrierter Doppelführung lassen sich zu 2D- und 3D-Auslegersystemen kombinieren. Als 3D-Auslegersystem packt sie beispielsweise bis zu 20 kg bei Geschwindigkeiten bis 0,5 m/s. Mit einem Kupfer- und Zinkanteil von weniger als einem Prozent ist die Achse ideal geeignet für den Einsatz in Montageanlagen der Batteriefertigung oder im Kleinteilehandling.

Prozessventile von Festo im Einsatz

Beim Degassing-Vorgang wird die Prozesskammer mit Prozessventilen vom Typ VZQA evakuiert. Besonders langlebig, energieeffizient, leicht zu warten und dank ihrer offenen Architektur flexibel einsetzbar, eignen sich Quetschventile VZQA als günstige Alternativen zu herkömmlichen Ventilen wie Membranventile oder Kugelhähne. Der Druckschalter SPAN-B von Festo überwacht den in der Prozesskammer anliegenden Druck.

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Durchgängige Kommunikation dank Remote IO-System

Das Remote IO-System CPX-AP-I integriert alle IOs und IO-Link-Teilnehmer wie Sensoren und Ventilinseln nahtlos in das Kommunikationsnetzwerk der Anlage, was eine durchgängige Kommunikation vom Werkstück in die Cloud bedeutet. Eine weitere Komponente in der Handhabung von Batteriezellen kommt aus der Bionik: Mit dem adaptiven Greiffinger DHAS mit Finray-Effekt bietet Festo Greiffinger, die sich dem Werkstück anpassen. Dies erlaubt das sichere und taktile Greifen plastisch verformbarer Werkstücke, wie z. B. Pouchzellen.

Auf die richtigen Eigenschaften der Automatisierungskomponenten kommt es an

In der Sekundärbatterieproduktion kommt es auf die richtigen Eigenschaften der Automatisierungskomponenten an: Je nach Elektrolyt und Elektrodenmaterial können Kupfer, Zink und Nickel als Störpartikel bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Sekundärbatterien angesehen werden. Daher hat Festo für seine Produkte spezifische Kriterien definiert: Metallische Materialien, deren Hauptbestandteile entweder Kupfer, Zink oder Nickel sind, sind von der Verwendung ausgeschlossen. Zudem verfügen alle Produkte für die Batteriezellenproduktion über Reinraumzertifikate und lassen sich in Trockenräumen verwenden.

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