Formatflexible und kontinuierliche Zellstapelbildung

Lithium-Ionen-Batterien werden dank stetiger Entwicklungserfolge immer leistungsfähiger. Dadurch eröffnen sich immer neue Einsatzbereiche, wofür anwendungsspezifische Zellformate erforderlich sind. Der steigenden Nachfrage nach individuellen Formaten stehen gegenwärtig starr verkettete Produktionslinien gegenüber.

Stand der Technik

Ein zentraler Prozessschritt der Zellfertigung ist die Stapelbildung: das alternierende Zusammenfügen von Elektroden (Anode, Kathode) und Separator zu einem Stapel. Die Stapelbildung wird durch das schichtweise Übereinanderlegen der Materialien aus Magazinen umgesetzt. Die hier verwendeten Automatisierungstechnologien mit zumeist Robotern und Greifern bringen aufgrund der hohen Anzahl an Pick-and-Place-Operationen eine Durchsatzbeschränkung mit sich. Um kostengünstig große Mengen herzustellen, sind Stapelanlagen oft auf ein einziges Zellformat ausgelegt. Ein Formatwechsel erfordert den Umbau von mechanischen Komponenten und die Neuprogrammierung der Maschine.

Technologie

Forschende vom wbk Institut für Produktionstechnik kommen dem Wunsch nach mehr Flexibilität mit einem neuen Anlagenkonzept zur Zellstapelbildung nach. Die neu gestaltete Produktionsanlage EXINOS besteht aus vier Maschinenteilen mit den Kernfunktionen Kathoden- und Anoden-Vereinzelung, Separatorhandhabung und Faltung. Im Zusammenspiel mit verfahrbaren Achsen, Schneidwerkzeugen, Vakuumwalzen und Sensorik ist das System in der Lage, das Material von der Rolle (Coil) präzise und beschädigungsfrei zu verarbeiten. Dabei werden Elektroden- und Separatorblätter in variabler Länge (ab 100 Millimeter) automatisiert geschnitten und gestapelt. Die Breite lässt sich über die Coil-Breite variieren. Die Elektrodenblätter werden im laufenden Prozess durch Klebepunkte auf dem Separator fixiert. Die Ablageposition der Einzelblätter ist flexibel, sodass Zellen in sehr vielen verschiedenen Abmessungen (Länge/Breite/Höhe) herstellbar sind.

Vorteile

Das Anlagenkonzept EXINOS ermöglicht einen schnellen, einfachen Wechsel des Zellformats ohne Werkzeugwechsel. Es löst die feste Bindung an ein bestimmtes Werkzeug und integriert zeitgleich mehrere Prozessschritte. Die Verarbeitung der Materialien von der Rolle sowie die integrierte Prozessführung erlauben einen kontinuierlichen und somit hochproduktiven Stapelprozess.

Optionen für Unternehmen

Eine Demonstrationsanlage wurde am Institut prototypisch aufgebaut. Das Konzept ist auf maximale Flexibilität und Individualisierung ausgelegt. Die einzelnen Kernfunktionen können auch die Produktion eines Zellformats beschleunigen. Das KIT sucht Partner für anwendungsspezifische Entwicklungsprojekte und den Einsatz des Verfahrens.