Měkké rukavice pro baterie

Speciální uchopovač STGG uchopí a umístí anodu, aniž by kontaminoval citlivou grafitovou vrstvu. (Obrázek: J. Schmalz GmbH)

Vysoká sací síla při nízkém podtlaku: speciální uchopovač STGG se používá také k manipulaci s tenkými separačními fóliemi. (Obrázek: J. Schmalz GmbH)

Lehký uchopovač SLG s vakuovými uchopovači SFF manipuluje s buňkami typu pouch. Strukturované vakuové sací zařízení zabrání prohloubení obalových fólií. (Obrázek: J. Schmalz GmbH)

Cylindrické Li-ionové baterie se používají především v zábavní elektronice a e-bicích. Schmalz vyvíjí individuální koncové efektory – podle počtu, velikosti a uspořádání. (Obrázek: J. Schmalz GmbH)

Chytrý uchopovač FQE s energeticky úspornou, integrovanou vakuovou generací se používá při manipulaci s krycími díly bateriových článků a modulů. (Obrázek: J. Schmalz GmbH)

Dr. Maik Fiedler, vedoucí obchodních oblastí vakuová automatizace a manipulace ve společnosti J. Schmalz GmbH. (Obrázek: J. Schmalz GmbH)

Jsou natírány, válcovány a řezány – cesta zní tvrdě, musí projít kupříkladu měděné a hliníkové fólie, než mohou plnit svou roli jako anoda a katoda v baterii. Čím jemnější je manipulace mezi jednotlivými výrobními kroky – jak toho dosáhnout?

Již od roku 2009 podporuje vláda elektromobilitu. Také vývoj a výroba bateriových technologií je aktivně podporována: hospodářství a politika spolupracují na rozvoji a rozšiřování know-how pro vývoj a výrobu. To, že je v Německu možná ekonomická výroba bateriových článků, potvrdil Dr. Michael Meister, státní tajemník Parlamentu spolkového ministra školství a výzkumu, v roce 2021 na „Batterieforum Deutschland“. Zprávy německých automobilek o spolupracích, vlastních výzkumných laboratořích a testovacích provozech pro sériovou výrobu to potvrzují. Kromě použití v elektromobilech jsou baterie stejně důležité i pro každodenní život. Od akušroubováků přes e-kola až po smartphony – energie „to go“ je již nedílnou součástí. Stejně důležitá je i stacionární aplikace, například pro akumulaci regenerativně vyráběné energie.

Každé použití klade specifické požadavky na bateriovou technologii. Ale pro výrobu je pozdější použití druhořadé – zde je třeba vždy spojit nejvyšší pečlivost a přesnost s konkurenceschopnou výrobou článků. Nezbytnými jsou při tom malé pomocníky, které umožňují šetrný transport citlivých katod, anod, separatorů a pouchových článků: speciální uchopovače a koncové efektory od J. Schmalz GmbH.

Od prášku k pouchu

Dvě pasty a dvě kovové fólie tvoří základ každé pohonné baterie. Anoda je tvořena grafitovou hmotou nanesenou na měděnou fólii. Katoda sestává z hliníkové fólie, na niž je nanesena směs kovových oxidů z niklu, kobaltu, manganu a lithia. Oběstranně potažené fólie jsou sušeny, kalandrovány a nařezány na správnou velikost. Nyní jsou připraveny ke skládání. „Doporučujeme k tomu speciální uchopovače STGG, protože s nimi lze velmi dynamicky manipulovat s citlivými fóliemi,“ vysvětluje Dr. Maik Fiedler, vedoucí obchodních oblastí vakuové automatizace a vakuového manipulace. STGG uchopí střídavě anodu, separator, katodu a opět separator, aby je položil na sebe. Rychlost je zde stejně důležitá jako přesné umístění. Uchopovač nesmí zanechat stopy a nesmí kontaminovat citlivé vrstvy. „Naše řešení se jmenuje PEEK,“ říká Dr. Fiedler. Schmalz vyrábí z chemicky vysoce odolného polyetheretherketonu sací desku s mnoha malými otvory, která plně přilne. Rovná plocha minimalizuje tlak na plochu. Aktivní funkce vyfukování STGG urychluje proces pick & place, zatímco vysoký objemový proud zabraňuje zbytkům částic na elektrodách. Pneumatické vakuové generátory bez pohyblivých částí činí speciální uchopovač vhodným do čistých a suchých prostor.

Stejně tak je speciální uchopovač STGG vhodný pro oddělování a pokládání tenkých separatorových fólií. Separátory jsou většinou vyrobeny z velmi jemně porézních, ohýbatelných plastů nebo netkaných textilií. Oddělují anodu od katody a zabraňují zkratům. Současně jsou průchodné pro kladné lithium-ionty, které při vybíjení proudí z anody na katodu a při nabíjení se vracejí zpět. „STGG pracuje s vysokým objemovým proudem a bezpečně zachází i s porézními materiály,“ vysvětluje Dr. Fiedler. Povrch v souladu s ESD spolehlivě odvádí statickou elektřinu a chrání tak před nechtěnou adhezí.

Buňka po buňce

Jakmile je zásobník článků hotový, zkrátí se přebytečné vodiče a zásobník se vloží do pouchové fólie. Kompletně zapečetěný je takzvaný pouchový článek připraven k injektáži elektrolytu. „Pouchové články jsou citlivé a nesmějí být jakkoliv deformovány uchopovačem. Navíc se mohou podle použití lišit tvarem,“ vysvětluje Dr. Fiedler. Pro každou geometrii je vhodný lehký uchopovač SLG. Schmalz jej vyrábí aditivně poté, co si jej zákazník nakonfiguruje online, a tím garantuje krátké dodací lhůty. Aby při uchopení nedošlo k hlubokému tažení hliníkové fólie pouchového článku, používají se strukturované sací adaptéry řady SFF nebo SFB1. Obě varianty kombinují podložky ve tvaru buněk na sací ploše s měkkou a velmi plochou těsnící manžetou. Díky tomu je možné je jemně a přitom s vysokou sací silou uchopit, aniž by došlo k deformaci povrchu pouchového článku.

Stejně důležité jako materiál, geometrie a velikost uchopovače je vakuum. Jak a kde je vytvářeno, je klíčem k vysoce dynamické a zároveň naprosto bezpečné manipulaci. „Naše decentralizované vakuové generátory řady SCPM splňují všechny tyto požadavky. Jsou kompaktní a přitom s velkou sací silou,“ říká Dr. Fiedler. Jsou tak malé, že je lze namontovat přímo u sacího uchopovače a minimalizovat tak ztráty výkonu. Ventil kompaktního aktuátoru se uzavře, když není přiveden elektrický proud. Tím uchopovač bezpečně drží bateriový článek i při výpadku energie. „Další výhodou je, že uživatelé mohou do systému integrovat speciální funkce, například redundanci vakuové výroby nebo rozpoznání pracovních kusů,“ doplňuje Dr. Fiedler.

Vhodný manipulační systém umístí jednotlivé články do modulu, kde jsou spojeny sériově nebo paralelně. Více modulů tvoří bateriový paket, který podle výrobce a kategorie vozidla obsahuje méně či více pouchových článků.

Rund statt flach

Výhodou pouchových článků je jejich plochá konstrukce, která dobře odvádí teplo. Jsou univerzální a optimálně využívají dostupný objem v bateriovém modulu. Nevýhodou je, že plášť je citlivý a nechrání anody, katody a separator před mechanickým poškozením. Navíc hrozí, že se například stárnutím mohou nafouknout. Proto se v některých elektromobilech, elektronice, e-kolech a nářadí často používají válcové hard-case články. „Pro manipulaci s válcovými články při montáži modulů musíme uživatelům nabídnout uchopovače, které si mohou volně konfigurovat. Podle toho, jak jsou jednotlivé články průměrem, uspořádáním a počtem uchopených kusů,“ popisuje Dr. Maik Fiedler. „Díky 3D tisku je to od sériové výroby od velikosti 1 bez problémů možné.“ Pokud si uživatel vybere sacího adaptéru z odolného speciálního materiálu HT1, může články uchopit přímo u pólů – materiál zároveň slouží jako izolátor. Tak jsou i nabité články bezpečně umístěny. I zde je důležitý vysoký objemový proud pro rychlý a čistý proces pick & place. „Zde vynikají integrované vakuové generátory. Ejektory mají bezpečnostní ventil, který udržuje vakuum i bez napájení, čímž zajišťují bezpečnost manipulace,“ doplňuje Dr. Fiedler. Pokud je třeba uchopit válcové články podélně, doporučuje Schmalz magnetické uchopovače SGM v provedení High-Performance. Zde zajišťuje manipulaci permanentní magnet. „Jsou kompaktní, lehké a přesto dosahují vysokých tažných sil,“ vypočítává Dr. Fiedler výhody. Ty uchopí, pokud je bateriový plášť feromagnetický.

Finální – plně automatické nebo manuální

Nyní je téměř hotovo: z fólií vznikly články. Články jsou seskupeny do modulů, které jsou nyní spojeny do bateriových paketů a doplněny chladicími deskami, kabeláží a elektronikou. „Flexibilita je zde velmi důležitá. Geometrie uložišť se může lišit stejně jako povrchové struktury,“ vysvětluje Dr. Maik Fiedler. I když jsou moduly těžké, nesmí je při manipulaci poškodit – vakuum to dokáže. Plochý uchopovač FQE je modulární a ideální pro plně automatizované aplikace pick & place. Stejně univerzální je i plochý uchopovač FMP. Jeho těsnící pěna se přizpůsobí i strukturovaným povrchům. Oba zajišťují díky energeticky úsporné integrované výrobě vakuového generátoru nízkonákladový provoz.

U pracovních kroků, které nejsou automatizované, pomáhají montérům manuální pomocníci, například vakuový zdvihák JumboFlex. Mohou to být chladicí moduly nebo krycí desky, které je třeba na konci ručně umístit na bateriové kryty. Extra bezpečí nabízí ovládací jednotka Safety+ : koncept dvou rukou pro odložení chrání obzvlášť citlivé součásti při pokládání. Navíc lze snížit rychlost spouštění.

Bateriový paket je nyní připraven k testu těsnosti – kryty a chladicí systém nesmí vykazovat žádné netěsnosti. Řídicí systém baterie obdrží nejnovější software vhodný pro daný typ vozidla a první nabíjecí/ vybíjecí cyklus v sestavě proběhne pod přísným dohledem. Pokud je kabeláž a elektronika v pořádku a funguje i systém řízení baterie stejně jako všechny subkomponenty, je práce hotova. Po označení varovnými upozorněními a ID štítky jsou baterie připraveny k přepravě. „Cesta od prášku ke konečnému energetickému úložišti je dlouhá a náročná. Víme, jak zajistit bezpečnou manipulaci v každém jednotlivém kroku a vyvíjíme pro naše zákazníky přesná řešení,“ říká Dr. Maik Fiedler.