Guanti di velluto per batterie

La pinza speciale STGG afferra e posiziona l'anodo senza contaminare lo strato di grafite sensibile. (Immagine: J. Schmalz GmbH)

Elevata capacità di aspirazione con sottovuoto ridotto: la pinza speciale STGG viene utilizzata anche per la manipolazione di sottilissime pellicole separatrici. (Immagine: J. Schmalz GmbH)

La pinza leggera SLG con prese di aspirazione SFF gestisce le celle pouch. Le ventose strutturate impediscono l'estrazione profonda delle pellicole del involucro. (Immagine: J. Schmalz GmbH)

Le batterie cilindriche al litio vengono utilizzate principalmente nell'elettronica di consumo e nelle biciclette elettriche. Schmalz sviluppa end-effector personalizzati – a seconda del numero, delle dimensioni e della disposizione. (Immagine: J. Schmalz GmbH)

La pinza a pinza FQE con generazione di vuoto integrata ed efficiente dal punto di vista energetico viene utilizzata nella manipolazione delle parti del guscio delle celle e dei moduli delle batterie. (Immagine: J. Schmalz GmbH)

Dr. Maik Fiedler, Responsabile delle aree di business Automazione del vuoto e Manipolazione del vuoto J. Schmalz GmbH. (Immagine: J. Schmalz GmbH)

Vengono smaltiti, laminati e tagliati — il percorso sembra difficile, quello che le pellicole di rame e alluminio devono attraversare prima di poter svolgere il loro ruolo di anodo e catodo in una batteria. Per questo motivo, la manipolazione tra i singoli passaggi di produzione deve essere il più delicata possibile — come si può ottenere?

Già dal 2009 il governo promuove la mobilità elettrica. Anche lo sviluppo e la produzione di tecnologie per le batterie vengono incentivati: economia e politica lavorano insieme per ampliare e consolidare le competenze nella progettazione e produzione. La possibilità di una produzione economica di celle batteria in Germania è stata confermata dal dott. Michael Meister, Segretario di Stato Parlamentare del Ministro Federale dell'Istruzione e Ricerca, nel 2021 al "Batterieforum Deutschland". Comunicazioni di costruttori automobilistici tedeschi su collaborazioni, propri laboratori di ricerca e impianti di prova per la produzione di serie ne sono la prova. Oltre all'uso nelle auto elettriche, le batterie sono importanti anche per la vita quotidiana. Dalle trapani a batteria, alle e-bike, fino agli smartphone — l'energia "on the go" non può più essere ignorata. Particolarmente rilevante è anche l'applicazione stazionaria, ad esempio per immagazzinare energia prodotta da fonti rinnovabili.

Ogni applicazione richiede requisiti specifici per la tecnologia delle batterie. Tuttavia, per la produzione, l'uso finale è secondario — in ogni caso, devono essere garantiti la massima cura e precisione, in armonia con una produzione di celle competitiva. Fondamentali sono gli ausili, piccoli strumenti che permettono un trasporto delicato di catodi, anodi, separatori e celle pouch: speciali pinze e endeffector della J. Schmalz GmbH.

Dal polvere alla pouch

Due paste e due pellicole metalliche costituiscono la base di ogni batteria di trazione. Per l'anodo si stende una pasta di grafite su una pellicola di rame. Il catodo è costituito da una pellicola di alluminio sulla quale viene applicata una miscela di ossidi metallici di nichel, cobalto, manganese e litio. Le pellicole rivestite su entrambi i lati vengono essiccate, calandrate e tagliate su misura. Ora sono pronte per essere impilate. "Consigliamo l'uso degli speciali pinze STGG, perché possono maneggiare con grande dinamismo le pellicole sensibili", spiega il dott. Maik Fiedler, responsabile delle aree Vacuum Automation e Vacuum Handling. La STGG afferra alternatamente anodo, separatore, catodo e di nuovo separatore, per sovrapporli correttamente. La velocità è importante quanto la posizione precisa. La pinza non deve lasciare tracce né contaminare il rivestimento sensibile. "La nostra soluzione si chiama PEEK", dice il dott. Fiedler. Schmalz realizza una piastra di aspirazione in polietereterchetone, altamente resistente chimicamente, con numerosi piccoli fori, che afferra su tutta la superficie. La superficie piana riduce la pressione sulla superficie. La funzione di soffiaggio attiva del STGG accelera il processo di pick & place, mentre l'elevato flusso di volume previene il deposito di particelle sulle elettrodi. La generazione di vuoto pneumatica senza parti mobili rende il pinze adatta anche per ambienti puliti e camere sterili.

Il pinze speciale è anche adatto per separare e posare sottili separator. I separator sono generalmente realizzati in plastica porosa molto fine o in tessuti non tessuti flessibili. Separano spazialmente anodo e catodo e impediscono cortocircuiti. Allo stesso tempo sono permeabili ai positivi ioni di litio, che durante la scarica fluiscono dall'anodo al catodo e durante la ricarica tornano indietro. "Il STGG lavora con un elevato flusso di volume, garantendo un'operazione sicura anche con materiali porosi", spiega il dott. Fiedler. La superficie conforme alle norme ESD dissipa affidabilmente le cariche elettrostatiche, proteggendo da adesioni indesiderate.

Da cella a cella

Quando l'impilamento delle celle è completo, i fili conduttori in eccesso vengono accorciati e l'impilamento viene inserito in una pellicola pouch. Sigillata tutto intorno, la cosiddetta cella pouch è pronta per l'iniezione di elettrolita. "Le celle pouch sono sensibili e non devono essere deformate dal pinze. Inoltre, a seconda dell'uso, possono variare nella forma", spiega il dott. Fiedler. Per ogni geometria, è adatto il pinze leggero SLG. Schmalz lo realizza additivamente, dopo che il cliente lo ha configurato online, garantendo tempi di consegna rapidi. Per evitare che la pellicola composita di alluminio si deformi durante la presa, vengono utilizzati aspiratori strutturati della serie SFF o SFB1. Entrambe le varianti combinano superfici di appoggio a nido d'ape sulla superficie di aspirazione con una guarnizione morbida e particolarmente piatta. In questo modo, possono afferrare delicatamente ma con elevata forza di aspirazione, senza deformare la superficie della cella pouch.

Importante quanto il materiale, la geometria e le dimensioni del pinze è anche il vuoto. Come e dove viene generato, rappresenta la chiave per una manipolazione altamente dinamica e assolutamente sicura. "I nostri generatori di vuoto decentralizzati della serie SCPM soddisfano tutti questi requisiti. Sono compatti e potenti", afferma il dott. Fiedler. Sono così piccoli che possono essere montati vicino alla pinza di aspirazione, minimizzando le perdite di potenza. La valvola del compatto aziona si chiude quando non c'è corrente. In questo modo, la pinza mantiene saldamente la cella della batteria anche in caso di interruzione di corrente. "Un altro vantaggio è che gli utenti possono integrare funzioni speciali nel sistema, come un generatore di vuoto ridondante o il riconoscimento di pezzi", aggiunge il dott. Fiedler.

Il sistema di manipolazione appropriato posiziona le singole celle in un modulo, dove vengono collegati in serie o in parallelo. Diversi moduli costituiscono un pacco batteria, che può contenere meno o più celle pouch a seconda del produttore e della categoria di veicolo.

Rund statt flach

Il vantaggio delle celle pouch è che sono piatte e dissipano bene il calore. Sono versatili e sfruttano al massimo il volume disponibile in un modulo batteria. Lo svantaggio: la custodia è sensibile e non protegge anodi, catodi e separator da danni meccanici. Inoltre, possono gonfiarsi a causa di processi di invecchiamento. Per questo motivo, in alcune auto elettriche e in elettronica di consumo, e-bike e utensili si utilizzano spesso celle cilindriche con custodia rigida. "Per la manipolazione di celle cilindriche in assemblaggi di moduli, dobbiamo offrire agli utenti pinze configurabili liberamente. A seconda del diametro delle singole celle, della disposizione e del numero di celle da afferrare", spiega il dott. Maik Fiedler. "Grazie alla stampa 3D, questo è facilmente possibile fin dal lotto di produzione." Se l'utente sceglie un aspiratore in materiale speciale HT1, privo di impronte, può afferrare le celle direttamente ai poli — il materiale funge anche da isolante. In questo modo, anche le celle cariche vengono posizionate in modo sicuro. Anche qui, è importante un elevato flusso di volume per un processo di pick & place rapido e pulito. "In questo caso, i generatori di vuoto integrati sono un punto di forza. Gli ejector sono dotati di valvole di sicurezza che mantengono il vuoto anche senza corrente, garantendo la sicurezza della manipolazione", aggiunge il dott. Fiedler. Se le celle cilindriche devono essere afferrate longitudinalmente, Schmalz consiglia il magnete SGM in versione ad alte prestazioni. Qui, un magnete permanente garantisce la presa. "Sono compatti, leggeri e sviluppano comunque elevate forze di tenuta", elenca il dott. Fiedler, evidenziando i vantaggi. Questi afferrano finché la custodia della batteria è ferromagnetica.

Finale — completamente automatico o manuale

Ora è quasi tutto pronto: dalle pellicole sono state create le celle. Le celle sono raggruppate in moduli, che vengono poi collegati in pacchi batteria e completati con piastre di raffreddamento, cablaggi ed elettronica. "La flessibilità è estremamente importante. Le geometrie di immagazzinamento possono variare così come le strutture superficiali", spiega il dott. Maik Fiedler. Anche se i moduli sono pesanti, non devono essere danneggiati dal pinze — il vuoto lo garantisce. La pinza a piastra FQE è modulare e ideale per applicazioni di pick & place completamente automatizzate. Anche la pinza piatta FMP è molto versatile. La sua schiuma sigillante si adatta anche a superfici strutturate. Entrambe garantiscono bassi costi operativi grazie alla loro generazione di vuoto integrata e ad alta efficienza energetica.

Per le fasi di lavoro non automatizzate, ausili manuali come il sollevatore a vuoto JumboFlex alleggeriscono gli operatori. Possono essere i moduli di raffreddamento o le piastre di copertura che devono essere posizionate manualmente sui contenitori delle batterie alla fine. Per maggiore sicurezza, è disponibile l'unità di comando Safety+, con il concetto a due mani: protegge le aree più sensibili durante il posizionamento. Inoltre, è possibile ridurre la velocità di discesa.

Il pacco batteria è ora pronto per il test di densità — le custodie e il sistema di raffreddamento non devono presentare perdite. Il sistema di gestione della batteria riceve l'ultima versione del software, adeguata al tipo di veicolo, e il primo ciclo di carica/scarica viene eseguito sotto stretta supervisione. Se i cablaggi e l'elettronica sono a posto e il sistema di gestione funziona correttamente, il processo è completato. Dopo aver applicato etichette con avvisi e tag ID, le batterie sono pronte per il trasporto. "Dal polvere al magazzino di energia finito, è un percorso lungo e complesso. Sappiamo come garantire la sicurezza in ogni singolo passaggio e sviluppiamo soluzioni su misura per i nostri clienti", conclude il dott. Maik Fiedler.