Fertigung von Lithium-Ionen Zellen

Günstiger stapeln

Funktionsintegrierte Fertigung von Lithium-Ionen-Zellen. Ein Grund für die hohen Kosten von Automotive-Lithium-Ionen-Zellen ist der noch unausgereifte Fertigungsprozess. Besonders die sogenannte Zellstapelbildung ist eine Herausforderung. Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) arbeiten an neuen Ansätzen.

Gesamtaufbau der Maschine (li.), Funktionsprinzip der integrierten Handhabung und REM-Aufnahmen der erzeugten Schnittkanten (re.). (Abb.: wbk)

Der anhaltende Klimawandel sowie die globale Verknappung fossiler Ressourcen erfordern zunehmend Alternativen zum konventionellen Verbrennungsmotor. Deshalb rückt die Elektrifizierung des Antriebsstrangs in den Betrachtungsfokus der Automobilindustrie. Die größte Herausforderung bei der Realisierung ist die Entwicklung und Produktion leistungsfähiger und gleichzeitig kostengünstiger Energiespeichersysteme. Mittelfristig bieten Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) aufgrund ihrer hohen Energie- und Leistungsdichte dafür das größte Potenzial. Einzig ihr hoher Preis, der maßgeblich in der Produktion durch die Montage der einzelnen Batteriezellen getrieben wird, steht einem Durchbruch der Elektromobilität aktuell im Weg. Um die bestehenden Kostenziele der Automobilindustrie zu erfüllen, ist eine Verbesserung der eingesetzten Fertigungstechnologien nötig. Vor allem ist die Erhöhung der verfügbaren Anlagenproduktivität bei gleichzeitiger Senkung der Investitionskosten ein wichtiger Erfolgsfaktor. Zugleich sind höchste Qualitätsanforderungen einzuhalten, um negative Auswirkungen auf Lebensdauer, Sicherheit und Leistungsfähigkeit der Zellen zu vermeiden.

Anzeige

Bei der Montage einer Li-Ion-Zelle ist besonders der Aufbau des Zellstapels durch Einzelblattstapelbildung – das gegenwärtig qualitativ hochwertigste Verfahren für die Zellstapelbildung – ein aufwändiger Prozess. Es werden die rollenförmigen Bahnmaterialien Anode, Kathode und Separator, die in vorgelagerten Schritten mittels Beschichtungstechnologie prozessiert werden, in der Produktionsumgebung eines Trockenraums zunächst zu einzelnen Blattsegmenten konfektioniert und dann durch zahlreiche Pick&Place-Prozesse abwechselnd präzise und wiederkehrend übereinandergestapelt. Der fertige Stapel kann bis zu hundert Einzelschichten enthalten. Das Zusammenspiel aus hohen Qualitätsanforderungen, biegeschlaffen und deshalb sensiblen Materialien sowie kurzen Taktzeiten bei der Stapelbildung hat unter Berücksichtigung der Betriebskosten für die Fertigung im Trockenraum zur Folge, dass mit heutigen Zellfertigungsmaschinen keine wirtschaftliche Produktion von Li-Ion-Zellen möglich ist.

Die Arbeitsgruppe „Elektromobilität“ am wbk beschäftigt sich deshalb mit der Entwicklung von Maschinen und Komponenten zur Herstellung von Zellstapeln bei Li-Ion-Zellen. Kern der Forschungsarbeit, die das wbk innerhalb des KIT-Projekts „Competence E“ durchgeführt hat, waren Modularisierung, Konzeption und Konstruktion einer Maschine zur Herstellung von Einzelblattstapeln. Basis des Entwicklungsansatzes sind funktionsintegrierte Stanzmodule, die innerhalb eines einzigen Prozessschritts das Ausschneiden der Blattsegmente mit höchster Fertigungsqualität ermöglichen und gleichzeitig deren Handhabung und hochgenaue Ablage durch den Einsatz integrierter Handhabungssysteme auf der Basis von Vakuumgreifern ermöglichen. Ein solches Stanzmodul hat einen extrem kleinen Schneidspalt von nur drei Mikrometern zwischen Stempel und Matrize. Außerdem arbeitet das Werkzeug mit einem Niederhalter, der das zu verarbeitende Material während des Trennvorgangs klemmt; das begünstigt den Abscherprozess, woraus eine hervorragende Schnittqualität und Ebenheit des Elektrodenblatts resultiert.

Ein Vakuumflächengreifer für die anschließende Blatthandhabung ist so in die Oberseite des Stanzwerkzeugs eingebettet, dass sich die Greifflächen während des Stanzvorgangs exakt in der Ebene des Schneidstempels befinden. So kann das Einzelblatt im Moment des Feinstanzens gegriffen und in seiner definierten Position und Orientierung festgehalten werden. Die präzise Ablage des Einzelblattes durch das nach unten geöffnete Stanzmodul ist ohne taktzeitraubende Sensorik möglich. Der Greifer lässt sich an Führungsschienen nach unten bewegen, wo das Blatt in einem Stapelmagazin abgelegt und durch Klemmgreifer gegen Verrutschen gesichert wird. Der Vakuumgreifer kehrt nach dem Ablegen wieder in seine Ruhestellung zurück, und im Stanzwerkzeug wird erneut Material zum Schneiden zugeführt. Anschließend folgt der nächste Stanzvorgang. Zur Verknüpfung der drei Stanzmodule für die Herstellung eines Zellstapels aus Anoden-, Kathoden- und Separatorblättern befindet sich das Stapelmagazin auf einem Maschinenschlitten und wird zur Blattaufnahme abwechselnd exakt unterhalb des gerade benötigten Stanzmoduls positioniert. Nach Beendigung des Stapelns kann der Zellstapel mit einem Werkstückträger aus der Maschine entnommen und den übrigen Prozessschritten der Zellmontage zugeführt werden.

M. Baumeister, J. Fleischer/pb


wbk Institut für Produktionstechnik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT)

Kurz erklärt: Das wbk
Das wbk Institut für Produktionstechnik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) gehört mit rund 100 Mitarbeitern zur Fakultät für Maschinenbau. Die drei Bereiche Fertigungs- und Werkstofftechnik (Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze), Maschinen, Anlagen und Prozessautomatisierung (Prof. Dr.-Ing. Jürgen Fleischer) und Produktionssysteme (Prof. Dr.-Ing. Gisela Lanza) widmen sich der anwendungsnahen Forschung, der Lehre und Innovation im Bereich Produktionstechnik am KIT. Neben Forschungsaktivitäten in klassischen Feldern des Maschinen- und Anlagenbaus setzt das wbk auf die Entwicklung der Produktionstechnik für unreife Prozesse in den Bereichen Elektromobilität, hybrider Leichtbau und generative Fertigung. Mit Industriepartnern erarbeitet das wbk Lösungen für Themenstellungen der Produktionstechnik und entwickelt Methoden und Prozesse für die Produktion von morgen. www.wbk.kit.edu


Wissenschaftliche Gesellschaft für Montage, Handhabung und Industrierobotik e.V. (MHI e.V.)

Kurz erklärt: Der MHI e.V.
Die Wissenschaftliche Gesellschaft für Montage, Handhabung und Industrierobotik e.V. (MHI e.V.) ist ein Netzwerk renommierter Universitätsprofessoren – Institutsleiter und Lehrstuhlinhaber – aus dem deutschsprachigen Raum. Die Mitglieder forschen sowohl grundlagenorientiert, als auch anwendungsnah in einem breiten Spektrum aktueller Themen aus dem Montage-, Handhabungs- und Industrierobotikbereich. Weitere Infos zur Gesellschaft, deren Mitgliedern und Aktivitäten: www.wgmhi.de. Unter dem Motto „Ideen gemeinsam umsetzen“ zeigen die MHI-Mitglieder auf der Automatica neue Anwendungsgebiete für Großroboter, die Robotersteuerung mit Kinect und Smartphone, den Einsatz von Robotern in der Reparaturvorbereitung von CFK-Strukturen und auch die in diesem Beitrag vorgestellte Funktionsintegration bei der automatisierten Li-Ion-Stapelbildung.

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige

Produktion

Bearbeitung auf engem Raum

Bei den Bearbeitungszentren der Forte-65-Baureihe von Hedelius handelt es sich um Drei-Achs-Bearbeitungszentren mit großen Verfahrwegen bei kompakter Bauweise. Die Maschinen eignen sich durch Stabilität und Leistung für den Werkzeug- und Formenbau...

mehr...

Handhabungstechnik

Hebehilfe mit Köpfchen

Um schwere Lasten effizienter zu bewegen, hat Scaglia Indeva die Hilfsvorrichtung Liftronic weiterentwickelt. Der Liftronic Easy-6 lässt sich intuitiv bedienen, bietet Flexibilität durch eine modulare Bauweise und ist dank der robuster Steuereinheit...

mehr...
Anzeige

Alu-Rohrverbinder

Kreative Verbindung

Das Rohrverbinder-Portfolio von Brinck ist abgestimmt auf Aufgabenstellungen von Industrie, Handwerk und Handel. Allein die mehr als 400 starren und beweglichen Geometrietypen bietet Spielraum für die kreative Gestaltung belastbarer...

mehr...
Anzeige