Entgasung und Versiegelung sind Kernprozesse in der Produktion von Batteriezellen. Sie schließen direkt an die Erstkontaktierung der Batteriezellen mit elektrischer Spannung an. Dabei werden die Batteriezellen mit Lanzen durchstochen und das dabei entstehende Formiergas abgesaugt. Zum Handhaben und Einstechen der Batteriezellen kommen pneumatische und elektrische Aktuatoren von Festo zum Einsatz.
Formierung: Laden und Entladen im Regalsystem
Unter Formierung versteht man die ersten Lade- und Entladevorgänge einer Batteriezelle. Die Zellen werden in Formierungsstationen in Regalsystemen gelagert und während des Formierungsprozesses mehrfach geladen und entladen. Da die Umformanlagen sehr groß sind, sind Handlingsysteme mit langen Hüben und hohen Geschwindigkeiten erforderlich. Festo bietet mit elektrischen Portalachsen und Schlitten die passenden Lösungen.
In der Batteriezelle bildet sich während der Bildung Gas. Dieses muss aus den geschweißten Batteriezellen abgesaugt werden, ohne dass Elektrolyt verloren geht. Dazu bewegen Pneumatikzylinder die Hohllanzen, die die Batteriezellen in der Entgasungskammer durchstoßen, und saugen das Gas ab, bis auch der erste Elektrolyt angesaugt ist. Dann schaltet das System um und bläst den Elektrolyt zurück in die Batteriezelle. Das restliche Gas wird dann entfernt. Nach dem Absaugvorgang werden die Zellen wieder versiegelt, was in der Regel durch thermisches Schweißen oder Ultraschallschweißen erfolgt.
Gasabsaugung ohne Elektrolytverlust
In der Batterieproduktion sind hohe Geschwindigkeiten, große Durchsätze, Zuverlässigkeit und Wiederholbarkeit erforderlich. Bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien spielt die Produktionsumgebung eine entscheidende Rolle. Insbesondere eine niedrige Luftfeuchtigkeit und eine möglichst geringe Verunreinigung durch störende Partikel während des Produktionsprozesses haben großen Einfluss auf die Qualität und Sicherheit der hergestellten Batteriezellen.
Im Zentrum einer Entgasungsanwendung steht die Prozesskammer. Ein Cantilever-Handling-System auf Basis der Spindelachsen ELGT von Festo gewährleistet eine dynamische und sichere Be- und Entladung der Prozesskammern. Die kompakten und kostengünstigen Spindelachsen ELGT von Festo mit integrierter Doppelführung sind ideal für den Aufbau von 2D- und 3D-Auslegersystemen geeignet. Als 3D-Zuführsystem verpackt sie beispielsweise bis zu 20 kg bei Geschwindigkeiten von bis zu 0,5 m/s. Mit einem Kupfer- und Zinkanteil von weniger als einem Prozent ist die Achse perfekt für den Einsatz in Montagesystemen in der Batterieproduktion oder im Kleinteilehandling geeignet.
Prozessventile und Drucküberwachung im Vakuumbetrieb
Während des Entgasungsprozesses wird der Prozessraum mit Prozessventilen vom Typ VZQA evakuiert. Durch ihre offene Bauweise sind sie sehr langlebig, energieeffizient, wartungsfreundlich und flexibel in der Anwendung und damit eine geeignete und günstige Alternative zu herkömmlichen Ventilen wie Membranventilen oder Kugelhähnen. Der Druckschalter SPAN-B von Festo überwacht den Druck im Prozessraum.
Das Remote-IO-System CPX-AP-I bindet alle IOs und IO-Link-Geräte wie Sensoren und Ventilinseln nahtlos in das Kommunikationsnetzwerk der Anlage ein. Das bedeutet eine nahtlose Kommunikation vom Werkstück bis zur Cloud. Eine weitere Besonderheit der Handlingsysteme für Batteriezellen basiert auf der Bionik: Der FinRay-Greifer von Festo bietet Greiffinger, die sich dem Werkstück anpassen. Das ermöglicht ein sicheres und taktiles Greifen von plastisch verformbaren Werkstücken wie Pouch-Zellen.
Qualität und Sicherheit bei der Herstellung von Batteriezellen
Umso wichtiger ist es, dass die Automatisierungskomponenten in der Sekundärbatterieproduktion die richtigen Eigenschaften aufweisen. Je nach Elektrolyt und Elektrodenmaterial können Kupfer, Zink und Nickel als Störpartikel bei der Produktion von Lithium-Ionen-Sekundärbatterien angesehen werden.
Deshalb hat Festo für seine Produkte Restriktionskriterien bezüglich Kupfer, Zink und Nickel definiert und den Einsatz metallischer Werkstoffe, deren Hauptbestandteile Kupfer, Zink oder Nickel sind, ausgeschlossen. Darüber hinaus sind alle Produkte von Festo für die Batteriezellenproduktion reinraumzertifiziert und für den Einsatz in Trockenräumen geeignet.
