Zachte handschoenen voor batterijen

De speciale grijper STGG grijpt en plaatst de anode zonder de gevoelige grafietlaag te contamineren. (Afbeelding: J. Schmalz GmbH)

Hoge zuigkracht bij lage onderdruk: De speciale grijper STGG wordt ook gebruikt voor het hanteren van dunne scheidingsfolies. (Afbeelding: J. Schmalz GmbH)

De lichte grijper SLG met SFF-zuignappen behandelt pouchcellen. De gestructureerde zuignappen voorkomen het dieptrekken van de behuizelfolie. (Afbeelding: J. Schmalz GmbH)

Cilindrische lithium-ion-batterijen worden vooral gebruikt in consumentenelektronica en e-bikes. Schmalz ontwikkelt op maat gemaakte eindeffectoren – afhankelijk van het aantal, de grootte en de opstelling. (Afbeelding: J. Schmalz GmbH)

De vlakgreeper FQE met energiezuinige, geïntegreerde vacuümgeneratie wordt gebruikt bij het hanteren van behuizingsonderdelen van batterijcellen en batterijmodules. (Afbeelding: J. Schmalz GmbH)

Dr. Maik Fiedler, hoofd van de bedrijfsafdelingen Vacuümautomatisering en Vacuümhandling bij J. Schmalz GmbH. (Afbeelding: J. Schmalz GmbH)

Ze worden beschreven, gewalzt en geknipt – de weg klinkt zwaar, de koper- en aluminiumfolies moeten doorstaan worden voordat ze hun rol als anode en kathode in een batterij kunnen vervullen. Hoe zachter de handling tussen de verschillende productie stappen moet zijn – hoe lukt dat?

De regering ondersteunt de elektromobiliteit al sinds 2009. Ook de ontwikkeling en productie van batterijtechnologie wordt gestimuleerd: economie en politiek werken eraan om de knowhow voor ontwikkeling en productie uit te bouwen en te versterken. Dat een economische productie van batterijcellen in Duitsland mogelijk is, bevestigde Dr. Michael Meister, parlementair staatssecretaris van de Bundesministerin für Bildung und Forschung, in 2021 op het 'Batterieforum Deutschland'. Meldingen van Duitse autofabrikanten over samenwerkingen, eigen onderzoekscentra en testfaciliteiten voor serieproductie bevestigen dit. Naast het gebruik in elektrische auto's zijn batterijen ook belangrijk voor het dagelijks leven. Van accuschroevendraaiers tot e-bikes en smartphones – de stroom 'to go' is niet meer weg te denken. Evenzo relevant is de stationaire toepassing, bijvoorbeeld om regeneratief opgewekte energie te bufferen.

Elke toepassing stelt eigen eisen aan de batterijtechnologie. Maar voor de productie is het latere gebruik secundair – hier moeten in elk geval de grootste zorg en precisie worden gecombineerd met een concurrerende celproductie. Onmisbaar daarbij zijn de kleine helpers die een zorgvuldige transport van de gevoelige kathoden, anoden, scheiders en pouchcellen mogelijk maken: speciale grijpers en eindeffectoren van J. Schmalz GmbH.

Van poeder tot pouch

Twee pasta's en twee metalen folies vormen de basis van elke aandrijfbatterij. Voor de anode wordt een grafietmassa op een koperen folie aangebracht. De kathode bestaat uit een aluminiumfolie waarop een metalenoxide-mengsel van nikkel, kobalt, mangaan en lithium wordt aangebracht. De aan beide zijden bedekte folies worden gedroogd, gekalibreerd en op maat gesneden. Nu zijn ze klaar voor het stapelen. "We raden hiervoor de speciale grijper STGG aan, omdat deze zeer dynamisch met de gevoelige folies om kan gaan," legt Dr. Maik Fiedler uit, hoofd van de bedrijfsgebieden vacuümautomatisering en vacuümhandling. De STGG grijpt afwisselend anode, scheider, kathode en weer scheider om ze op elkaar te plaatsen. De snelheid is hier net zo belangrijk als de precieze positionering. Daarbij mag de grijper geen sporen achterlaten en de gevoelige coating niet contamineren. "Onze oplossing heet PEEK," zegt Dr. Fiedler. Schmalz produceert van het chemisch hoogbestendige polyetheretherketon een zuigplaat met vele kleine gaatjes die volledig contact maken. Het vlakke oppervlak minimaliseert de contactdruk. De actieve blaasfunctie van de STGG versnelt het pick & place-proces, terwijl de hoge volumestroom stofdeeltjes op de elektroden voorkomt. Een pneumatische vacuümgeneratie zonder bewegende onderdelen maakt de speciale grijper geschikt voor cleanroom en droge ruimtes.

Ook voor het afzonderen en plaatsen van de dunne scheiderfolies is de speciale grijper STGG geschikt. Scheiders bestaan meestal uit zeer fijnporige, buigslappe kunststoffen of vilt. Ze scheiden anode en kathode ruimtelijk van elkaar en voorkomen een kortsluiting. Tegelijkertijd zijn ze doorlatend voor de positieve lithium-ionen, die tijdens het ontladen van de anode naar de kathode stromen en bij het laden weer terugwandelen. "De STGG werkt met een hoge volumestroom en grijpt daardoor ook poreuze materialen veilig," legt Dr. Fiedler uit. Het ESD-conforme oppervlak voert elektrostatische lading betrouwbaar af en beschermt zo tegen ongewenste adhesie.

Cel voor cel

Als de celstapel klaar is, worden de uitsteekende geleiders kortgesloten en de stapel in een pouchfolie verpakt. Volledig afgedicht is de zogenaamde pouchcel klaar voor de elektrolyt-injectie. "De pouchcellen zijn gevoelig en mogen absoluut niet door de grijper vervormd worden. Bovendien kunnen ze variëren afhankelijk van de toepassing in vorm," legt Dr. Fiedler uit. Voor elke geometrie passend is de lichte constructie grijper SLG. Schmalz produceert deze additief nadat de klant hem online heeft geconfigureerd, en garandeert zo korte levertijden. Om te voorkomen dat de aluminiumverbundfolie van de pouchcel bij het grijpen diep wordt getrokken, worden gestructureerde zuigers uit de SFF- of SFB1-reeks gebruikt. Beide varianten combineren steunvlakken in de vorm van honingraten op het zuigvlak met een zachte en bijzonder platte afdichtlip. Zo kunnen ze zacht en toch met een hoge zuigkracht grijpen zonder het oppervlak van de pouchcel te vervormen.

Even belangrijk als materiaal, geometrie en grootte van de grijper is het vacuüm. Hoe en waar het wordt gegenereerd, is de sleutel tot een hoogdynamische en tegelijkertijd volledig veilige handling. "Onze decentrale vacuümgenerators uit de SCPM-serie voldoen aan al deze eisen. Ze zijn compact en toch krachtig," zegt Dr. Fiedler. Ze zijn zo klein dat ze dicht bij de zuiggrijper gemonteerd kunnen worden en daardoor prestatieverlies minimaliseren. Het ventiel van de compacte actuator sluit af wanneer er geen stroom is. Zo houdt de grijper de batterijcel veilig, ook bij stroomuitval. "Een ander voordeel is dat gebruikers speciale functies in het systeem kunnen integreren, zoals redundante vacuümgeneratie of werkstukdetectie," voegt Dr. Fiedler toe.

Het passende handling systeem plaatst de individuele cellen in een module, waar ze in serie of parallel worden geschakeld. Meerdere modules vormen een batterijpakket dat, afhankelijk van de fabrikant en voertuigcategorie, minder of meer pouchcellen bevat.

Rond in plaats van plat

Het voordeel van pouchcellen is dat ze plat kunnen worden gebouwd en daardoor de warmte goed kunnen afgeven. Ze zijn veelzijdig en benutten het beschikbare volume in een batterijmodule optimaal. Hun nadeel: de behuizing is gevoelig en beschermt de anodes, kathodes en scheiders niet tegen mechanische invloeden. Bovendien bestaat het risico dat ze bijvoorbeeld door verouderingsprocessen uitzetten. Daarom worden in sommige elektrische auto's, evenals in consumentenelektronica, e-bikes en gereedschap, vaak cilindrische hardcase-cellen gebruikt. "Voor de handling van ronde cellen in de modulemontage moeten we gebruikers grijpers aanbieden die ze vrij kunnen configureren. Afhankelijk van de diameter van de cellen, de opstelling en het aantal dat moet worden vastgegrepen," beschrijft Dr. Maik Fiedler. "Dankzij 3D-printen is dat vanaf batchgrootte één probleemloos mogelijk." Als de gebruiker zuigers kiest uit het afdichtingsarme speciale materiaal HT1, kan hij de cellen direct aan de polen grijpen – het materiaal werkt tevens als isolator. Zo worden ook geladen cellen veilig gepositioneerd. Ook hier is een hoge volumestroom belangrijk voor het snelle en schone pick & place-proces. "Hier scoren geïntegreerde vacuümgenerators. De ejectoren beschikken over een veiligheidsventiel dat ook zonder stroom het vacuüm vasthoudt en zo de handling beveiligt," voegt Dr. Fiedler toe. Als de ronde cellen langs moeten worden vastgegrepen, beveelt Schmalz de magnetische grijper SGM aan in de high-performance versie. Hier zorgt een permanente magneet voor de handling. "Ze zijn compact, licht en ontwikkelen toch hoge kleefkrachten," somt Dr. Fiedler de voordelen op. Deze grijpen zolang de batterijhuls ferromagnetisch is.

Finale – volledig automatisch of handmatig

Nu is het bijna klaar: uit folies zijn cellen geworden. De cellen worden samengevoegd in modules, die nu worden verbonden in batterijpakketten en compleet gemaakt met koelplaten, bedrading en elektronica. "Flexibiliteit is hier enorm belangrijk. De geometrieën van de opslag kunnen net zo variëren als de oppervlaktestructuren," legt Dr. Maik Fiedler uit. Ook al zijn de modules zwaar, ze mogen door de grijper niet worden beschadigd – vacuüm zorgt daarvoor. De vlakke grijper FQE is modulair en ideaal voor volledig geautomatiseerde pick & place-toepassingen. Evenzo universeel is de vlakke grijper FMP. Zijn afdichtingsschuim past zich ook aan gestructureerde oppervlakken aan. Beide zorgen met hun energie-efficiënte, geïntegreerde vacuümgeneratie voor lage bedrijfskosten.

Voor de werkstappen die niet geautomatiseerd zijn, ontlasten handmatige hefhulpmiddelen zoals de vacuümheffer JumboFlex de monteurs. Dit kunnen de koelmodules zijn of de afdekkingen die aan het einde handmatig op de batterijbehuizingen moeten worden geplaatst. Extra veiligheid biedt de Safety+-bedienunit: het twee-handconcept voor het loslaten beschermt bijzonder gevoelige werkplekken bij het neerzetten. Daarnaast kan de aflaatsnelheid worden verminderd.

De batterijmodule is nu klaar voor de dichtheidstest – behuizingen en koelsystemen mogen geen lekkages vertonen. Het batterijbeheersysteem krijgt de nieuwste software, passend bij het automodel, en de eerste laad-/ontlaadcyclus wordt onder strikte controle uitgevoerd. Als de bedrading en elektronica in orde zijn en het batterijbeheersysteem net zo goed functioneert als alle subcomponenten, is het gelukt. Na het labelen met waarschuwingsinformatie en ID-tags zijn de batterijen klaar voor transport. "Het is een lange en arbeidsintensieve weg van poeder tot eindopslag. We weten hoe de handling in elk afzonderlijk proces veilig kan verlopen en ontwikkelen op maat gemaakte oplossingen voor onze klanten," zegt Dr. Maik Fiedler.