Im Vergleich zu Batterien für mobile Geräte, zum Beispiel Smartphones, müssen Batterien für Elektroautos und Stromspeicher höheren Anforderungen an Qualität und Kosten gerecht werden. Eine hohe Qualität von Batteriezellen steigert nicht nur die Leistungsfähigkeit des Batteriesystems und damit die Reichweite eines Elektroautos. Auch aus sicherheitsrelevanten Gründen werden qualitativ hochwertige Zellen verlangt. Zusätzlich bestimmen die Kosten eines Batteriesystems dessen Erfolg für den wirtschaftlichen Einsatz in Stromspeichern. Gerade der vergleichsweise zeitaufwändige Stapelprozess bietet hier Potenzial zur Verbesserung.
Doppellagen meiden
Für Hersteller und Maschinenbauer in der Batterieindustrie ist es eine Herausforderung, Doppellagen bei Stapelprozessen zu vermeiden. Lösungen dafür müssen nicht nur doppelte Lagen erkennen, sie müssen sich auch einfach integrieren lassen, sie müssen Prozessdaten einhalten können, Kosten und Prozesszeiten wahren. Zudem gibt es unterschiedliche Sensor-Lösungen: Von der Doppellagenerkennung von Elektroden mit intelligenten Doppellage-Sensoren über die Doppellagenerkennung von Separatoren mit Lichtleiter-Lösungen bis hin zur materialunabhängigen Doppellagenerkennung mit Ultraschallsensoren.
Zusammenhängende Elektroden- oder Separatorblätter auf einem Stapel, müssen verhindert werden, um die Qualität einer Batteriezelle zu gewährleisten. Ist diese nämlich schlecht, schadet das der Qualität der finalen Batterie, die für den Einsatz in Privathaushalten oder im Automobil in der Regel aus mehreren Zellen aufgebaut ist. Deshalb verhindert eine Doppellagenerkennung nicht nur eine mögliche Qualitätsminderung des Produkts, sondern senkt auch Kosten, indem der Ausschuss an minderwertigen Batteriezellen minimiert wird. Doch wie kommt es überhaupt zu doppelten Lagen? Beim Stapeln des inneren einer Zelle oder bei Mischformen – wie dem Z-Folding –, müssen einzelne Elektroden- und/oder Separatorblätter gehandhabt werden. Hierfür kommen Vakuum-Greifer zum Einsatz, die die einzelnen Blätter auf Trays ablegen und so dem Prozess zufügen. Beim Aufnehmen der Materiallagen mit dem Greifer kann nicht ausgeschlossen werden, dass dieser mehrere aneinanderhaftende Elektroden- oder Separatorblätter greift. Hat der Greifer eine Doppellage eines Materials aufgenommen, darf diese wie schon angedeutet nicht auf den Zellstapel kommen. In diesem Fall legt er sie auf ein zweites Tray ab.
Sensorlösungen
Bei der Auswahl einer Sensorlösung für die Doppellagenerkennung spielen Prozesskosten eine wichtige Rolle. Dabei müssen Fragen geklärt werden wie: Bietet eine Lösung Zeitersparnisse und dadurch Kostenminimierung durch eine höhere Produktionsrate? Welche Lösung lässt sich am einfachsten in die Maschine integrieren und reduziert dadurch die Entwicklungskosten? Nun sind zum Stapeln einer Batteriezelle in einer Maschine mehrere Greifersysteme im Einsatz, die unterschiedliche Materialien handhaben. Damit werden gegenseitige Verunreinigungen der verschiedenen Materialien vorgebeugt und der Stapelprozess beschleunigt – ein zusätzlicher Greifer nimmt ein Blatt auf, während ein anderer gerade ein Blatt auf dem Stapel ablegt. Da sich die Materialien unterscheiden, können verschiedene Lösungen zur Doppellagenerkennung notwendig sein. Denn Elektroden bestehen aus einem Aktivmaterial und der Trägerfolie, die entweder eine Kupfer- (Anode) oder Aluminiumfolie (Kathode) ist. Separatorfolien sind dagegen nicht metallisch, dafür aber sehr porös. Sowohl die Trägerfolien von Elektroden als auch die Separatorfolien sind sehr dünne Materialien (<25 Mikrometer) und die Tendenz geht hin zu immer dünneren Folien.
Mit dem intelligenten Doppellage-Sensor IMC von Sick werden Doppellagen sofort detektiert und dadurch die Prozessqualität erhöht, ohne die Prozesszeit zu steigern. Der Sensor wird direkt im Greifer integriert. Dank der tastenden Funktionsweise kann er sofort nach dem Aufnehmen die Situation am Greifer erkennen – der Stapelprozess wird ohne Unterbrechung fortgesetzt. Dabei muss der Greifer keine bestimmte Stelle in der Maschine anfahren, um wie bei gegenüberliegenden Sender-/Empfängersystemen die Materiallage zu überprüfen. Die Funktionsweise des Sensors lässt sich auf Anoden- und Kathodenblätter anwenden. Auch verschiedene Folienstärken erkennt er. Aufgrund der technischen Funktionsweise des Sensors beeinflusst die Dicke des Materials die Messwerte und damit die Unterscheidung der Materiallagen. Um diese Flexibilität bieten zu können, lässt sich der Sensor auf die Materialstärke einlernen. Doppellagen von Separatorfolien (nicht-metallisch) lassen sich damit jedoch nicht detektieren. Grundsätzlich kann der Sensor zwischen drei Zuständen unterscheiden: Es befindet sich kein Elektrodenblatt am Greifer, eine Lage befindet sich am Greifer oder zwei Lagen befinden sich am Greifer. Bei der Integration ist zu beachten, dass im Umkreis von 20 mm um den Sensor kein leitendes Material sein sollte. Verfügbar ist der Doppellagen-Sensor in den metrischen Bauformen M8 und M12.
Doppellagen detektieren
Separator-Folien vermeiden den direkten Kontakt der Aktivmaterialien von Elektroden und verhindern damit einen Kurzschluss im Inneren der Batteriezelle. Trotzdem muss ein Ladungsausgleich zwischen Anode und Kathode möglich sein, weshalb Separatoren typischerweise aus sehr dünnen, porösen, nicht-metallischen Membranen bestehen. Aber nicht bei allen Stapelprozessen zur Herstellung von Batteriezellen ist eine Doppellagenkontrolle von Separatoren notwendig. Beim Z-Folding wird die Separatorfolie nicht zu einzelnen Blättern vereinzelt. Daher entfällt bei diesem Prozess die Notwendigkeit der Kontrolle von Separator-Lagen am Greifer.
Um Doppellagen von Separator-Folien zu detektieren, kann eine Lösung mit Lichtleitern eingesetzt werden. Die dünne Separator-Folie wird mit einem Lichtleiter durchleuchtet. Lichtleiter-Sensoren, wie die WLL180T von Sick mit einer Ansprechzeit von 16 µs, sind in Varianten mit zwei Schaltausgängen verfügbar. Dadurch können die verschiedenen Zustände am Greifer ausgegeben werden. Für Elektrodenfolien eignet sich diese Lösung jedoch nicht, da diese nicht durchleuchtet werden können. Bei Sender-/Empfängersystemen, wie der Lösung zur Doppellagenerkennung von Separatoren mit Lichtleitern, wird typischerweise ein Lichtleiter in den Greifer integriert. Hat der Greifer mit dem integrierten Lichtleiter eine Materiallage aufgenommen bewegt er sich in Richtung des Trays für den Zellstapel, um die Materiallage abzulegen.
Im Gegensatz zur zuvor beschriebenen Lösung mit dem Doppellagen-Sensor IMC wird die Materiallage nicht schon beim Abheben des Materialtrays überprüft. Hier wird der zweite Lichtleiter in der Maschine so integriert, dass sich der Greifer früh nach Aufnahme des Materials im Zuge seiner Bewegung an der entsprechenden Stelle befindet. Befinden sich Sender- und Empfänger-Lichtleiter gegenüber, kann eine Doppellage überprüft werden. Je nach Ergebnis wird dann das Stapeln fortgeführt oder die aneinanderhängenden Separatoren aussortiert. Mit Hilfe von Lösungen basierend auf Ultraschalltechnik können Doppellagen sowohl von Elektroden als auch von Separatoren detektiert werden. Die Ultraschall-Doppellagenerkennung mit UD18-2 von Sick besteht aus einem Sender und einem Empfänger mit integrierter Auswerteeinheit. Es kann ebenfalls zwischen den oben genannten drei Zuständen unterschieden werden: fehlende, einfach und doppelte Materiallagen. Durch verschiedene auswählbare Empfindlichkeitsstufen sowie der Möglichkeit, verschiedene Einstellungen individuell über Teach-in einzulernen, ist eine Doppellagenerkennung mit Ultraschalltechnik für unterschiedliche Foliendicken möglich. Die Empfindlichkeitsstufen sind zudem im laufenden Anlagenbetrieb wechselbar, sodass Stillstandzeiten vermieden und die Prozesseffizienz erhöht wird.
Stapelprozess vollenden
Das Erkennen von Doppellagen beim Herstellen von Batteriezellen ist bei der Anwendung von Stapelprozessen von besonderer Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit der Batterie. Zur Lösung dieser Herausforderung gibt es unterschiedliche Ansätze aufbauend auf verschiedene Techniken. Diese unterscheiden sich einerseits durch die möglichen Materialien, die detektiert werden können. Eine weitere Unterscheidung muss zwischen einseitigen Funktionsprinzipien und Sender-/Empfängersystemen gemacht werden: Während eine einseitige im Greifer integrierte Lösung bereits beim Abheben der Materiallage eine Überprüfung vornehmen kann, müssen zweiseitige Systeme eine Teilbewegung durchführen, um mit gegenüberliegenden Sensorköpfen die Doppellage zu erkennen. Erst dann kann eine fehlerhafte Materiallage aussortiert und der Stapelprozess fortgesetzt werden.
