Miękkie rękawice dla baterii

Chwytak specjalny STGG chwyta i umieszcza anodę, nie zanieczyszczając delikatnej warstwy grafitowej. (Zdjęcie: J. Schmalz GmbH)

Wysoka siła ssania przy niskim podciśnieniu: Specjalny chwytak STGG jest również używany do obsługi cienkich folii separatorowych. (Zdjęcie: J. Schmalz GmbH)

Chwytak lekkiej konstrukcji SLG z ssawkami SFF obsługuje ogniwa typu pouch. Strukturalne ssawki zapobiegają głębokiemu odciąganiu folii obudowy. (Zdjęcie: J. Schmalz GmbH)

Zbiorniki cylindryczne litowo-jonowe są szczególnie wykorzystywane w elektronice użytkowej i rowerach elektrycznych. Schmalz opracowuje indywidualne końcówki – w zależności od liczby, rozmiaru i układu. (Zdjęcie: J. Schmalz GmbH)

Chwytak płytowy FQE z energooszczędnym, zintegrowanym systemem generowania próżni jest stosowany przy obsłudze elementów obudowy ogniw i modułów baterii. (Zdjęcie: J. Schmalz GmbH)

Dr. Maik Fiedler, kierownik działów automatyzacji próżniowej i obsługi próżniowej J. Schmalz GmbH. (Zdjęcie: J. Schmalz GmbH)

Przemalowywane, walcowane i cięte – droga wydaje się trudna, ponieważ trzeba pokonać warstwy miedzi i aluminium, zanim będą mogły pełnić funkcję anody i katody w baterii. Tym bardziej delikatne musi być obchodzenie się z nimi na poszczególnych etapach produkcji – jak to osiągnąć?

Od 2009 roku rząd wspiera elektromobilność. Również rozwój i produkcja technologii baterii jest intensywnie promowana: gospodarka i polityka współpracują nad rozbudową know-how w zakresie rozwoju i produkcji. Potwierdził to dr Michael Meister, parlamentarzysta sekretarz stanu w Federalnym Ministerstwie Edukacji i Badań, podczas „Batterieforum Deutschland” w 2021 roku. Informacje od niemieckich producentów samochodów o współpracy, własnych laboratoriach badawczych i zakładach testowych do produkcji seryjnej potwierdzają te działania. Oprócz zastosowania w samochodach elektrycznych, baterie są równie ważne w codziennym życiu. Od wkrętarki akumulatorowej, przez e-rowery, aż po smartfony – energia „to go” jest nieodłączna. Równie istotne jest zastosowanie stacjonarne, na przykład do magazynowania energii odnawialnej.

Każde zastosowanie stawia własne wymagania wobec technologii baterii. Jednak dla produkcji kluczowe jest późniejsze użytkowanie – tutaj konieczne jest zachowanie najwyższej staranności i precyzji, przy jednoczesnym utrzymaniu konkurencyjnej produkcji ogniw. Niezastąpione są przy tym małe narzędzia, które umożliwiają delikatny transport wrażliwych katod, anod, separatorów i komórek typu pouch: specjalne chwytaki i końcówki narzędzi firmy J. Schmalz GmbH.

Od proszku do pouch

Dwie pasty i dwie folie metalowe stanowią podstawę każdej baterii napędowej. Na anodę nanoszona jest masa grafitowa na miedzianą folię. Katoda składa się z aluminium, na które nakłada się mieszankę tlenków metali z niklem, kobaltem, manganem i litem. Obie strony foli są pokryte, suszone, kalandrowane i przycinane. Teraz są gotowe do układania warstw. „Zalecamy do tego specjalne chwytaki STGG, ponieważ potrafią obsługiwać delikatne folie z dużą dynamiką”, wyjaśnia dr Maik Fiedler, kierownik działów Automatyzacji Podciśnieniowej i Obsługi Podciśnieniowej. STGG chwyta kolejno anodę, separator, katodę i znowu separator, układając je na siebie. Kluczowe jest tu zarówno tempo, jak i precyzyjne ustawienie. Chwytak nie może zostawiać śladów ani zanieczyszczać wrażliwej powłoki. „Nasze rozwiązanie nazywa się PEEK”, mówi dr Fiedler. Schmalz wykonuje z chemicznie odpornego polietereteroketonu (PEEK) podciśniskową płytkę z licznymi małymi otworami, która chwyta na całej powierzchni. Płaska powierzchnia minimalizuje nacisk na powierzchnię. Aktywna funkcja wydmuchu STGG przyspiesza proces układania, a wysoki przepływ objętościowy zapobiega osadzaniu się cząstek na elektrodach. Pneumatyczne wytwarzanie podciśnienia bez ruchomych części czyni specjalny chwytak odpornym na warunki czystego i suchych pomieszczeń.

Podobnie ważny jest specjalny chwytak STGG do oddzielania i odkładania cienkich separatorów. Separatory zazwyczaj wykonane są z bardzo porowatych, elastycznych tworzyw sztucznych lub włóknin. Oddzielają one anody od katody przestrzennie i zapobiegają zwarciom. Jednocześnie są przepuszczalne dla dodatnich jonów litu, które podczas rozładowania przepływają z anody do katody, a podczas ładowania wracają. „STGG działa przy dużym przepływie objętościowym, co pozwala na bezpieczne chwytanie również porowatych materiałów”, wyjaśnia dr Fiedler. Powierzchnia zgodna z normami ESD skutecznie odprowadza ładunki elektrostatyczne, chroniąc przed niepożądaną adhezją.

Komórka po komórce

Gdy stos komórek jest gotowy, nadmiarowe przewody odcięte są, a stos umieszczany w folii pouch. Całkowicie uszczelniony, tzw. komórka pouch jest gotowa do wstrzyknięcia elektrolitu. „Komórki pouch są wrażliwe i nie mogą być deformowane przez chwytak. Dodatkowo, w zależności od zastosowania, mogą się różnić kształtem”, wyjaśnia dr Fiedler. Do każdej geometrii odpowiedni jest lekki chwytak SLG. Schmalz wykonuje go addytywnie, po tym jak klient skonfiguruje go online, gwarantując krótkie czasy dostaw. Aby aluminiumowa folia komórki pouch nie była głęboko odciągana podczas chwytania, stosowane są strukturalne ssawki z serii SFF lub SFB1. Obie wersje łączą powierzchnie w kształcie plastra miodu z miękką, płaską uszczelką. Dzięki temu mogą delikatnie, a zarazem z dużą siłą ssania, chwytać bez deformacji powierzchni komórki pouch.

Tak samo ważne jak materiał, geometria i rozmiar chwytaka jest siła podciśnienia. Jak i gdzie jest ona wytwarzana, stanowi klucz do wysokiej dynamiki i bezpieczeństwa obsługi. „Nasze zdecentralizowane generatory podciśnienia z serii SCPM spełniają wszystkie te wymagania. Są kompaktowe i jednocześnie mocne”, mówi dr Fiedler. Są tak małe, że można je montować blisko chwytaka, minimalizując straty mocy. Zawór kompaktora zamyka się, gdy nie jest podłączony prąd. Dzięki temu chwytak pewnie trzyma komórkę baterii, nawet gdy zabraknie zasilania. „Dodatkową zaletą jest możliwość integracji w systemie specjalnych funkcji, takich jak redundancja generowania podciśnienia czy rozpoznanie elementów”, dodaje dr Fiedler.

Odpowiedni system obsługi umieszcza poszczególne komórki w modułach, które następnie łączone są w pakiety baterii, w konfiguracji szeregowej lub równoległej. Kilka modułów tworzy pakiet baterii, który w zależności od producenta i kategorii pojazdu może zawierać mniej lub więcej komórek pouch.

Rund statt flach

Zaleta komórek cylindrycznych jest ich płaski kształt, który dobrze odprowadza ciepło. Są wszechstronne i optymalnie wykorzystują dostępne objętości w module baterii. Wadą jest ich wrażliwa obudowa, która nie chroni anod, katod i separatorów przed uszkodzeniami mechanicznymi. Dodatkowo, mogą się rozbudowywać z powodu procesów starzenia. Dlatego w niektórych samochodach elektrycznych, elektronice użytkowej, e-rowerach i narzędziach często stosuje się cylindryczne komórki twarde. „Do obsługi cylindrycznych komórek w montażu modułów musimy oferować chwytaki, które można dowolnie konfigurować”, opisuje dr Maik Fiedler. „W zależności od średnicy, układu i liczby chwytanych elementów”. „Dzięki druku 3D jest to możliwe od razu od partii produkcyjnej”. Jeśli użytkownik wybierze ssawki z materiału specjalnego HT1, które minimalizują odkształcenia, może chwytać komórki bezpośrednio przy biegunach – materiał działa jednocześnie jako izolator. W ten sposób bezpiecznie pozycjonowane są również naładowane komórki. Kluczowa jest także wysoka przepływność dla szybkiego i czystego procesu „pick & place”. „W tym pomagają zintegrowane generatory podciśnienia. Ejektory wyposażone są w zawory bezpieczeństwa, które utrzymują podciśnienie nawet bez zasilania”, dodaje dr Fiedler. Jeśli komórki cylindryczne mają być chwytane wzdłuż, zaleca się magnetyczne chwytaki SGM w wersji wysokowydajnej. Trwały magnes zapewnia obsługę. „Są kompaktowe, lekkie i mimo to generują wysokie siły trzymania”, wymienia dr Fiedler. „Chwytają, dopóki obudowa baterii jest ferromagnetyczna”.

Ostatecznie – w pełni automatycznie lub ręcznie

Teraz jest prawie gotowe: z folii powstały komórki. Komórki są zebrane w moduły, które następnie łączone są w pakiety baterii i uzupełniane o płyty chłodzące, okablowanie i elektronikę. „Elastyczność jest tutaj niezwykle ważna. Geometrie magazynów mogą się różnić, podobnie jak struktury powierzchni”, wyjaśnia dr Fiedler. Mimo że moduły są ciężkie, nie mogą zostać uszkodzone przez chwytak – to zapewnia podciśnienie. Chwytak FQE jest modułowy i idealny do pełnej automatyzacji procesów pick & place. Równie uniwersalny jest chwytak FMP. Jego pianka uszczelniająca dopasowuje się do strukturowanych powierzchni. Oba zapewniają niskie koszty eksploatacji dzięki energooszczędnej, zintegrowanej generacji podciśnienia.

W przypadku kroków, które nie są zautomatyzowane, pomocne są ręczne urządzenia podnoszące, takie jak podnośnik vacuum JumboFlex, odciążając operatorów. Mogą to być moduły chłodzące lub pokrywy, które na końcu ręcznie umieszcza się na obudowach baterii. Dodatkowe bezpieczeństwo zapewnia jednostka sterująca Safety+ – dwuręczne rozwiązanie do odłączania, chroniące szczególnie wrażliwe stanowiska podczas odkładania. Dodatkowo można zmniejszyć prędkość opuszczania.

Pakiet baterii jest teraz gotowy do kontroli szczelności – obudowa i system chłodzenia nie mogą mieć wycieków. System zarządzania baterią otrzymuje najnowsze oprogramowanie, dopasowane do typu pojazdu, a pierwszy cykl ładowania/rozładowania odbywa się pod ścisłą kontrolą. Jeśli okablowanie i elektronika są sprawne, a system zarządzania baterią działa poprawnie, można zakończyć. Po oznakowaniu ostrzeżeniami i tagami ID, baterie są gotowe do transportu. „To długa i skomplikowana droga od proszku do gotowego magazynu energii. Wiemy, jak bezpiecznie przeprowadzić każdy etap i opracowujemy dopasowane rozwiązania dla naszych klientów”, podsumowuje dr Fiedler.