Größte Herausforderung bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batteriezellen (LIB) ist die langsame Assemblierung des Elektroden-Separator-Verbundes, der aus vielen Schichten besteht. Für die benötigten Z-gefalteten Strukturen sind dazu viele Pick&Place-Operationen notwendig, die Roboter oder spezielle Kinematiken ausführen und sehr zeitaufwendig sind. Und eine einzige 50Ah-LIB umfasst bis zu 53 einzelne Elektroden im Format 300x125mm. „Der Produktivitätsengpass schlechthin sind diese vielen Pick&Place-Bewegungen“, erklärt Dr. Arne Glodde, Senior Researcher am IWF der TU Berlin. Die Handhabungs- und Fügezeiten einfach durch schnellere Beschleunigungs- und Bremsvorgänge der Industrieroboter zu reduzieren, sei keine Option. „Das verschlechtert die Positioniergenauigkeit beim Platzieren der Elektroden.“ Die Folge wäre ein geringerer Überdeckungsgrad im Zellverbund, der zu Lasten der Zellenkapazität und der Lebensdauer ginge, bis hin zu Kurzschlüssen.
Batteriestapelbildung beschleunigt
An der TU Berlin wurde deshalb der Pick&Place-Prozess durch einen kontinuierlichen Materialtransport der Elektroden und des Separators ersetzt. „Dadurch konnten wir im Vergleich zum Stand der Technik eine Produktionssteigerung um mehr als 150 Prozent erreichen“, skizziert Glodde die wichtigste Verbesserung. Das bedeutet: Statt 100 Batteriezellen können in der gleichen Zeit künftig 250 Zellen gefertigt werden. Schlüsselinnovation des Verfahrens ist die patentierte Z-Faltung auf Basis des linearen Transportsystems XTS und dessen umlaufende Greifer. Zwei dieser Systeme mit insgesamt zehn Movern sorgen für die kontinuierliche Faltenerzeugung mit passgenauer Positionierung der Elektroden im Stapel.
Die Elektroden stehen als Stapel einzelner Blätter zur Verfügung, der Separator liegt als Bandmaterial vor. Über ein unterdruckbasiertes Verfahren werden die flexiblen Elektroden von jeweils einer Walze aufgenommen und auf die Geschwindigkeit des Separatorbands beschleunigt. Beim Transport erfolgen Lageerfassung und präzise Ausrichtung der Elektrodenblätter in Bezug auf den Separator. Anschließend werden die Elektroden abwechselnd auf dem kontinuierlich geförderten Separatormaterial fixiert. Danach folgt die Z-Faltung: Das Separatorband mit den darauf fixierten Elektroden wird über zwei Führungsrollen dem Faltungsprozess von oben zugeführt. Zwei Pendlerrollen lenken dazu das Bahnmaterial aus und ermöglichen so das wechselseitige Hintergreifen mit speziellen Greifern. Diese sind auf den Movern der zwei gegeneinander verschränkten XTS-Systeme montiert und führen die Falten bis zur Ablage des Bandmaterials auf dem Faltentisch. Dort übernimmt ein Niederhaltersystem die Faltensicherung. Die XTS-Systeme sind in einer schwingungsfreien Konstruktion montiert, die sich in den individuellen Ablauf jeder Batteriefertigung einbinden lässt.
XTS eröffnet Innovationspotenzial
„Ohne das lineare Transportsystem von Beckhoff hätten wir die kontinuierliche Z-Faltung mit dieser Prozessführung gar nicht richtig umsetzen und diese wesentlich kürzeren Prozesszeiten erreichen können“, so Glodde. Die Prozesszeit wurde von bisher mehr als einer Sekunde je Falte auf 0,7s für großformatige z-gefaltete Elektroden-Separator-Verbünde reduziert. Und das Verfahren ist damit noch längst nicht an seiner Potenzialgrenze angelangt. Perspektivisch sind rund 0,35s pro Falte realisierbar.
Zeiten von 0,7s pro Falte bedeuten, dass die Mover mit etwa 600mm/s Geschwindigkeit fahren. Bei den anvisierten 0,35s liegt die Geschwindigkeit bei rund 1.000mm/s. „Unser XTS ist standardmäßig für bis zu 4m/s spezifiziert, hat also genügend Luft, um den Prozess weiter zu beschleunigen“, betont Guido Sieder, Vertriebsingenieur in der Berliner Niederlassung von Beckhoff. „Die mechanischen Eigenschaften des Separatormaterials und die Massenträgheiten werden auf Dauer vermutlich immer die begrenzenden Faktoren sein“, bestätigt Arne Glodde.
Verantwortlich für den aktuellen Performancesprung sind die speziellen Eigenschaften von XTS und PC-based Control. Schließlich müssen die Greifer relativ zueinander bewegt werden, um das Material mit adäquater Bahnspannung und beanspruchungsgerecht zu falten. Was trivial klingt, erfordert bei der Realisierung eine performante und flexible Automatisierungstechnik:
- Twincat muss die Position eines Movers relativ zur Position der anderen Mover präzise und in Echtzeit berechnen.
- Das Walzen-Synchronisieren auf kurzer Strecke setzt hohe Dynamik voraus.
- Die Anzahl der aktiv eingreifenden Mover muss im laufenden Prozess dynamisch anzupassen sein.
- Das zeitlich korrekte Anfahren der Positionen entlang der Separatorbahn verlangt eine hohe Wiederholgenauigkeit.
- Lastschwankungen erfordern eine hohe Regelgüte.
„Für die Berechnung und Ansteuerung der kompletten Kinematik in Echtzeit mussten wir etwa einen nahtlosen Wechsel der XTS-Servoachsen vom NC-Betrieb auf Interpolation realisieren“, erklärt Mathias Arndt, Applikationstechniker bei Beckhoff in Berlin. Sehr geholfen bei der Implementierung habe auch die baugruppenweise Programmierung und Synchronisierung der Steuerungen durch die Multitask-Fähigkeiten von Twincat, so Glodde. Die Bahnplanung für sämtliche Achsen erfolgt direkt in der Steuerung auf Basis der entwickelten kinematischen Berechnung. Die Abläufe in den anderen Baugruppen werden über virtuelle Achsen gekoppelt und über Superpositionsbewegungen relativ zueinander im Prozess korrigiert. Weiterer Pluspunkt verbucht ist die einfache Integration und Synchronisierung des Sechsachsroboters, der das Ausschleusen der gefalteten Elektrodenpakete übernimmt.
Unerlässlich für Präzision und Wiederholgenauigkeit ist eine möglichst schnelle und genaue Positionserfassung der Objekte. Hier kommt die eXtreme Fast Control Technology zum Einsatz. „Wir nutzen deren bei der Berechnung der Positionen“, präzisiert Glodde, „und machen uns so unabhängig vom SPS-Zyklus bei der Signalerfassung.“ Der Vorteil: Die Steuerungstechnik ist nicht mehr der limitierende Faktor bei der Positionserfassung, sondern die zur Verfügung stehende Sensorik mit Abtastraten von derzeit maximal 62,5kHz.
Aktiv geregelte Greifer
Die Forscher arbeiten daran, die Grenzen der Z-Faltung weiter zu verschieben. „Real registrieren wir bei höheren Geschwindigkeiten aufgrund von Schwingungen und der Trägheitskräfte zwar eine geringere Genauigkeit. Dem ließe sich mit noch steiferen Führungsschienen oder aktiven Greifern entgegenwirken.“ Für beides hat Beckhoff Lösungen parat: Das lineare Transportsystem XTS mit V-förmigen Führungssystem und die No Cable Technology (NCT) für eine drahtlose Übertragung von Kommunikation und Energie auf die Mover schaffen die Freiräume für weitere Verbesserungen.
