Guantes de seda para baterías

El agarre especializado STGG agarra y coloca el ánodo sin contaminar la delicada capa de grafito. (Imagen: J. Schmalz GmbH)

Alta capacidad de succión con poca diferencia de presión: el agarre especializado STGG también se utiliza para manipular láminas delgadas de separadores. (Imagen: J. Schmalz GmbH)

El agarre de construcción ligera SLG con ventosas SFF maneja celdas de pouch. Las ventosas estructuradas evitan la deformación profunda de las láminas de la carcasa. (Imagen: J. Schmalz GmbH)

Las baterías cilíndricas de iones de litio se utilizan principalmente en electrónica de consumo y bicicletas eléctricas. Schmalz desarrolla end effectors personalizados, según la cantidad, tamaño y disposición. (Imagen: J. Schmalz GmbH)

El agarrador de láminas FQE con generación de vacío integrada y energéticamente eficiente se utiliza para manipular partes de la carcasa de celdas y módulos de batería. (Imagen: J. Schmalz GmbH)

Dr. Maik Fiedler, Director de las áreas de negocio de Automatización de vacío y Manipulación de vacío de J. Schmalz GmbH. (Imagen: J. Schmalz GmbH)

Se pintan, laminan y cortan – el camino suena duro, el recorrido que deben atravesar las láminas de cobre y aluminio hasta poder cumplir su función como ánodo y cátodo en una batería. Por eso, la manipulación entre los distintos pasos de producción debe ser lo más suave posible - ¿cómo lograrlo?

Desde 2009, el gobierno fomenta la movilidad eléctrica. También se impulsa el desarrollo y la fabricación de tecnología de baterías: la economía y la política trabajan para ampliar y fortalecer el conocimiento en desarrollo y producción. Que sea posible una producción económica de celdas de batería en Alemania fue confirmado por el Dr. Michael Meister, Secretario de Estado Parlamentario de la Ministra Federal de Educación e Investigación, en 2021 en el "Batterieforum Deutschland". Los informes de los fabricantes alemanes de automóviles sobre colaboraciones, laboratorios de investigación propios y plantas de prueba para producción en serie lo confirman. Además del uso en autos eléctricos, las baterías son igualmente importantes para la vida cotidiana. Desde destornilladores inalámbricos, pasando por bicicletas eléctricas, hasta teléfonos inteligentes, la energía "sobre la marcha" ya no se puede prescindir. Igualmente relevante es la aplicación estacionaria, por ejemplo, para almacenar energía generada de forma renovable.

Cada aplicación plantea requisitos específicos para la tecnología de baterías. Pero para la fabricación, el uso posterior es secundario, ya que en este proceso se requiere combinar en todo momento la máxima precisión y cuidado con una producción competitiva de celdas. Es imprescindible contar con pequeños ayudantes que permitan un transporte suave de las delicadas cátodos, ánodos, separadores y celdas de sobre, como los agarres especializados y los end effectors de J. Schmalz GmbH.

De polvo a pouch

Dos pastas y dos láminas metálicas forman la base de cada batería de propulsión. Para el ánodo, se aplica una pasta de grafito sobre una lámina de cobre. La cátodo consiste en una lámina de aluminio sobre la que se recubre una mezcla de óxidos metálicos de níquel, cobalto, manganeso y litio. Las láminas recubiertas por ambos lados se secan, se calandran y se cortan a medida. Ahora están listas para apilarse. "Recomendamos para esto los agarres especiales STGG, ya que manejan de manera altamente dinámica las láminas sensibles", explica el Dr. Maik Fiedler, jefe de las áreas de Automatización al Vacío y Manipulación al Vacío. El STGG agarra alternadamente el ánodo, el separador, el cátodo y nuevamente el separador, para colocarlos uno sobre otro. La velocidad es tan importante como la precisión en la colocación. El agarre no debe dejar marcas ni contaminar el recubrimiento delicado. "Nuestra solución se llama PEEK", dice el Dr. Fiedler. Schmalz fabrica una placa de succión de polieteretercetona, altamente resistente a productos químicos, con muchos pequeños orificios que agarra en toda su superficie. La superficie plana minimiza la presión sobre la lámina. La función activa de soplado del STGG acelera el proceso de "pick & place", mientras que el alto flujo volumétrico evita residuos de partículas en los electrodos. Una generación de vacío neumática sin partes móviles hace que el agarre especializado sea apto para entornos limpios y salas blancas.

El agarre especializado STGG también es adecuado para separar y colocar las delgadas láminas separadoras. Los separadores suelen estar hechos de plásticos porosos y flexibles o tejidos no tejidos. Separan espacialmente el ánodo y el cátodo y previenen cortocircuitos. Al mismo tiempo, permiten el paso de los iones de litio positivos, que fluyen desde el ánodo hacia el cátodo durante la descarga y regresan durante la carga. "El STGG trabaja con un alto flujo volumétrico, por lo que también puede manejar materiales porosos de forma segura", explica el Dr. Fiedler. La superficie compatible con ESD también conduce de manera confiable la carga electrostática, protegiendo contra adhesiones no deseadas.

Celda por celda

Una vez que el apilamiento de celdas está listo, se recortan los cables conductores sobrantes y el conjunto se coloca en una lámina de pouch. Sellada por todos lados, la llamada celda pouch está lista para la inyección del electrolito. "Las celdas pouch son delicadas y no deben deformarse en absoluto por el agarre", explica el Dr. Fiedler. Para cada geometría, el agarre ligero SLG es adecuado. Schmalz lo fabrica de forma aditiva, tras que el cliente lo configure en línea, garantizando así tiempos de entrega cortos. Para evitar que la lámina de aluminio de la celda pouch se deforme al agarrarla, se utilizan ventosas estructuradas de las series SFF o SFB1. Ambas variantes combinan superficies de apoyo en forma de panales en la zona de succión con una junta de sellado suave y especialmente plana. De esta manera, pueden agarrar suavemente, pero con una alta fuerza de succión, sin deformar la superficie de la celda pouch.

Tan importante como el material, la geometría y el tamaño del agarre es el vacío. Cómo y dónde se genera, es la clave para una manipulación altamente dinámica y completamente segura. "Nuestros generadores de vacío descentralizados de la serie SCPM cumplen con todos estos requisitos. Son compactos y a la vez potentes", dice el Dr. Fiedler. Son tan pequeños que pueden montarse cerca del agarre de succión, minimizando pérdidas de rendimiento. La válvula del actuador compacto cierra cuando no hay corriente. Así, el agarre mantiene la celda de la batería de forma segura, incluso en caso de fallo de energía. "Otra ventaja es que los usuarios pueden integrar funciones especiales en el sistema, como generación redundante de vacío o detección de piezas", añade el Dr. Fiedler.

El sistema de manipulación adecuado coloca las celdas individuales en un módulo, donde se conectan en serie o en paralelo. Varios módulos conforman un paquete de baterías, que puede incluir menos o más celdas pouch, dependiendo del fabricante y la categoría del vehículo.

Redondo en lugar de plano

La ventaja de las celdas pouch es que son planas y pueden disipar bien el calor. Son versátiles y aprovechan de manera óptima el volumen disponible en un módulo de batería. Su desventaja: la carcasa es delicada y no protege los ánodos, cátodos y separadores contra impactos mecánicos. Además, existe el riesgo de que, por procesos de envejecimiento, puedan hincharse. Por eso, en algunos autos eléctricos, así como en electrónica de consumo, bicicletas eléctricas y herramientas, se utilizan a menudo celdas cilíndricas de carcasa dura. "Para manipular celdas redondas en el montaje de módulos, debemos ofrecer a los usuarios agarres que puedan configurar libremente. Dependiendo del diámetro de las celdas, su disposición y cuántas se deben agarrar", describe el Dr. Maik Fiedler. "Gracias a la impresión 3D, esto es fácil de hacer desde la producción en serie". Si el usuario selecciona una ventosa del material especial HT1, sin marcas de impresión, puede agarrar las celdas directamente en el polo, ya que el material actúa también como aislante. Así, incluso las celdas cargadas se colocan de forma segura. Aquí también es importante un alto flujo volumétrico para un proceso de "pick & place" rápido y limpio. "Las unidades de vacío integradas son una ventaja aquí. Los éyectores tienen una válvula de seguridad que mantiene el vacío incluso sin corriente, garantizando la manipulación", añade el Dr. Fiedler. Si las celdas redondas deben agarrarse por el lado largo, Schmalz recomienda el agarre magnético SGM en versión de alto rendimiento. Aquí, un imán permanente asegura la manipulación. "Son compactos, ligeros y aún así desarrollan fuerzas de retención elevadas", enumera el Dr. Fiedler. Estos agarres funcionan mientras la carcasa de la batería sea ferromagnética.

Final – totalmente automatizado o manual

Ya casi está listo: de láminas, a celdas. Las celdas se agrupan en módulos, que luego se conectan en paquetes de baterías y se completan con placas de enfriamiento, cableado y electrónica. "La flexibilidad es muy importante aquí. Las geometrías de almacenamiento pueden variar tanto como las estructuras superficiales", explica el Dr. Maik Fiedler. Aunque los módulos sean pesados, no deben dañarse con el agarre, y aquí el vacío ayuda. El agarre de superficie FQE es modular y perfecto para aplicaciones de pick & place totalmente automatizadas. También es muy versátil el agarre de superficie FMP. Su espuma de sellado se adapta a superficies estructuradas. Ambos garantizan bajos costos operativos gracias a su generación de vacío integrada y eficiente en energía.

Para los pasos de trabajo que no son automatizados, ayudas manuales como el manipulador de vacío JumboFlex alivian a los operarios. Pueden ser los módulos de enfriamiento o las tapas que, al final, deben colocarse manualmente en las carcazas de las baterías. La unidad de control Safety+ ofrece mayor seguridad: el concepto de doble mano para soltar protege especialmente las estaciones de trabajo sensibles al colocar. Además, se puede reducir la velocidad de descenso.

El paquete de baterías está ahora listo para la prueba de densidad: la carcasa y el sistema de enfriamiento no deben presentar fugas. El sistema de gestión de baterías recibe el software más reciente, adecuado para el tipo de vehículo, y el primer proceso de carga/descarga se realiza bajo supervisión estricta. Cuando el cableado y la electrónica están en orden y el sistema de gestión funciona correctamente, y todos los subcomponentes están en funcionamiento, el proceso ha terminado. Después de etiquetar con advertencias y etiquetas de identificación, las baterías están listas para su transporte. "Es un camino largo y laborioso desde el polvo hasta el almacenamiento de energía terminado. Sabemos cómo garantizar la manipulación segura en cada paso del proceso y desarrollamos soluciones a medida para nuestros clientes", concluye el Dr. Maik Fiedler.