Vakuumgreifer in der Batterieherstellung
Samthandschuhe für Akkus
Sie werden beschmiert, gewalzt und gekappt - der Weg klingt hart, den Kupfer- und Alufolien hinter sich bringen müssen, bis sie ihre Rolle als Anode und Kathode in einer Batterie ausüben können. Umso sanfter muss die Handhabung zwischen den einzelnen Produktionsschritten sein - wie gelingt das?
 Der Spezialgreifer STGG greift und platziert die Anode, 
ohne die empfindliche Graphitschicht zu kontaminieren.
Der Spezialgreifer STGG greift und platziert die Anode, ohne die empfindliche Graphitschicht zu kontaminieren.Bild: J. Schmalz GmbH

Bereits seit 2009 fördert die Regierung die Elektromobilität. Entsprechend wird die Entwicklung und Fertigung von Batterien vorangetrieben. Neben dem Einsatz in E-Autos sind Batterien ebenso wichtig für den Alltag, vom Akkuschrauber über E-Bikes bis zum Smartphone. Für die Herstellung ist der spätere Einsatz zweitrangig – denn hier müssen in jedem Fall größte Sorgfalt und Präzision mit einer wettbewerbsfähigen Zellfertigung in Einklang gebracht werden. Wichtig sind dabei auch die kleinen Helfer, die einen schonenden Transport der empfindlichen Kathoden, Anoden, Separatoren und Pouchzellen ermöglichen: Spezialgreifer und Endeffektoren von Schmalz.

 Die strukturierten Sauger des SLG mit SFF-Sauggreifern 
verhindern ein Tiefziehen der Gehäusefolien.
Die strukturierten Sauger des SLG mit SFF-Sauggreifern verhindern ein Tiefziehen der Gehäusefolien.Bild: J. Schmalz GmbH

Vom Pulver zur Pouch

Zwei Pasten und zwei Metallfolien bilden die Basis einer typischen wiederaufladbaren Batterie. Für die Anode wird eine Graphitmasse auf eine Kupferfolie gestrichen. Die Kathode besteht aus einer Aluminiumfolie, auf die eine Metalloxid-Mischung aus Nickel, Kobalt, Mangan und Lithium aufgetragen wird. Die beidseitig beschichteten Folien werden getrocknet, kalandriert und zurechtgeschnitten. Jetzt 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 bei Schmalz. Der STGG greift abwechselnd Anode, Separator, Kathode und wieder Separator, um sie aufeinander abzulegen. Die Geschwindigkeit steht hier ebenso im Fokus wie die präzise Positionierung. Dabei darf der Greifer keine Abdrücke hinterlassen und die empfindliche Beschichtung nicht kontaminieren. Schmalz fertigt aus dem chemisch hochbeständigen Polyetheretherketon PEEK eine Saugplatte mit vielen kleinen Löchern, die vollflächig greift. Die aktive Abblasfunktion des STGG beschleunigt den Pick&Place-Prozess, während der hohe Volumenstrom Partikelrückstände auf den Elektroden verhindert. Die pneumatische Vakuum-Erzeugung ohne bewegte Teile macht den Spezialgreifer rein- und trockenraumtauglich.

Auch für das Vereinzeln und Ablegen der dünnen Separatorfolien eignet sich der Greifer. Separatoren bestehen meist aus sehr feinporigen biegeschlaffen Kunststoffen oder Vliesen. Sie trennen Anode und Kathode räumlich voneinander und verhindern einen Kurzschluss. Gleichzeitig sind sie durchlässig für die positiven Lithium-Ionen, die beim Entladen von der Anode zur Kathode strömen und beim Laden wieder zurückwandern. Der STGG arbeitet mit einem hohen Volumenstrom und greift dadurch auch poröse Materialien sicher, die ESD-konforme Oberfläche leitet zudem elektrostatische Aufladung zuverlässig ab und schützt so vor ungewünschter Adhäsion.

 Der Flächengreifer FQE bietet eine energieeffiziente, 
integrierte Vakuum-Erzeugung.
Der Flächengreifer FQE bietet eine energieeffiziente, integrierte Vakuum-Erzeugung.Bild: J. Schmalz GmbH

Zelle für Zelle

Ist der Zellstapel fertig, werden die überstehenden Leiterfähnchen gekürzt und der Stapel in eine Pouchfolie gepackt. Rundum versiegelt, ist die sogenannte Pouchzelle bereit für die Elektrolyt-Injektion. Die Pouchzellen sind empfindlich und dürfen keinesfalls durch den Greifer deformiert werden. Zudem können sie je nach Einsatz in der Form variieren. Für jede Geometrie passend ist der Leichtbaugreifer SLG. Schmalz fertigt ihn additiv, nachdem der Kunde ihn online konfiguriert hat, und bietet somit kurze Lieferzeiten. Damit die Aluminiumverbundfolie der Pouchzelle beim Greifen nicht tiefgezogen wird, kommen strukturierte Sauger der SFF- oder SFB1-Reihe zum Einsatz. Beide Varianten kombinieren Abstützflächen in Form von Waben auf der Saugfläche mit einer weichen und besonders flachen Dichtlippe. Dadurch können sie sanft und dennoch mit einer hohen Saugraft zupacken, ohne die Oberfläche der Pouchzelle zu verformen.

Ebenso wichtig wie der Greifer ist das Vakuum. Wie und wo es erzeugt wird, ist der Schlüssel für eine dynamische und zugleich sichere Handhabung. „Unsere dezentralen Vakuum-Erzeuger der SCPM-Baureihe erfüllen alle diese Anforderungen. Sie sind kompakt und zugleich saugstark“, sagt Dr. Fiedler. Sie sind so klein, dass sie nah am Sauggreifer montiert werden können. Das Ventil des Kompaktejektors schließt, wenn kein Strom anliegt. Damit hält der Greifer die Batteriezelle sicher, auch wenn die Energie ausfällt.

 Zylindrische Li-Ionen-Batterien kommen vor allem in Unterhaltungselektronik 
und E-Bikes zum Einsatz. Schmalz bietet individuelle Endeffektoren.
Zylindrische Li-Ionen-Batterien kommen vor allem in Unterhaltungselektronik und E-Bikes zum Einsatz. Schmalz bietet individuelle Endeffektoren.Bild: J. Schmalz GmbH

Rund statt flach

Der Vorteil von Pouchzellen ist, dass sie flach bauen und die Wärme gut abgeben können. Ihr Nachteil: Die Hülle ist empfindlich und schützt nicht vor mechanischen Einflüssen. Oft kommen daher 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.“ Wählt der Anwender Sauger aus dem abdruckarmen Spezialwerkstoff HT1, kann er die Zellen direkt am Pol greifen – das Material wirkt zugleich als Isolator. Wichtig ist auch hier ein hoher Volumenstrom für den schnellen und sauberen Pick&Place-Prozess. „Hier punkten integrierte Vakuum-Erzeuger. Die Ejektoren verfügen über ein Sicherheitsventil, das auch ohne Strom das Vakuum aufrecht hält und damit die Handhabung absichert“, ergänzt Dr. Fiedler. Müssen die Rundzellen längs gegriffen werden, empfiehlt Schmalz Magnetgreifer SGM in der High-Performance-Version. Hier sichert ein Dauermagnet die Handhabung ab.

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