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Die Batterie spielt bei der Mobilitätswende eine elementare Rolle. Ob rein elektrisch, hybrid oder Brennstoffzelle: Die Antriebsbatterie ist aus Elektroautos nicht mehr wegzudenken. Um die Batteriezellen wirtschaftlich herzustellen, sind ein hoher Automatisierungsgrad und Flexibilität essenziell.

Die Mobilitätswende ist in vollem Gange und mit ihr die Entwicklung der Elektromobilität, die oft als Schlüssel für diesen Wandel bezeichnet wird. Allein im Jahr 2020 wurden weltweit 3,2 Millionen neue Elektroautos zugelassen. Das ist ein Anstieg von mehr als 37 Prozent im Vergleich zum Vorjahr. Auch politisch wird das Thema vorangetrieben. Immer mehr Länder verabschieden konkrete Ausstiegsdaten für den Verbrennungsmotor. Die Produktion der benötigten Batteriezellen rückt dadurch immer stärker in den Fokus. Auf die Batteriezellenfertigung fällt ein wesentlicher Teil der Wertschöpfung bei der Produktion von Elektroautos. „Wirtschaftliches und politisches Ziel ist es, Batteriezellen in Zukunft auch in Europa und Nordamerika zu produzieren. Das wird nur durch hohe Skaleneffekte und eine durchgängige Digitalisierung der Wertschöpfungsketten möglich“, erklärt Bernd Klotz, Director of Global Account Development bei Balluff. Das Wort „Gigafactory“ ist deshalb in aller Munde. Damit werden Produktionsanlagen riesigen Ausmaßes zur Fertigung von Batteriezellen bezeichnet. Sie zeichnen sich durch modernste Fertigungstechnologie aus. „Giga“ steht dabei auch für die Leistung der hergestellten Batterien: Pro Jahr fertigen diese Werke Batteriezellen mit mehreren Gigawattstunden an Leistung.

Komplexer Fertigungsprozess

Die Herstellung der Batteriezellen ist ein hochkomplexer Prozess. Beschichten, Trocknen, Kalandern, Stapeln, Wickeln, Schweißen und die Elektrolytbefüllung – bei all diesen Produktionsschritten müssen verschiedene Parameter und Qualitätsmerkmale zuverlässig eingehalten werden. Balluff bietet verschiedene Automatisierungslösungen, die speziell auf die Anforderungen in der Batteriezellenfertigung zugeschnitten sind. „Wir helfen unseren Kunden dabei, alle Prozessschritte konsequent zu optimieren und bei Bedarf zu digitalisieren“, so Klotz.

 

 

Mischen

Zu Beginn der Batteriezellenfertigung werden Pasten – sogenannte Slurrys – aus Aktivmaterialien, Leitadditiven sowie Lösungs- und Bindemitteln hergestellt. Die Slurrys werden jeweils auf Vorder- und Rückseite einer Folie aufgetragen und bilden Anode und Kathode der Batteriezelle. Die Zuführungssysteme der benötigen Rohstoffe und auch die Rohstoffe selbst müssen eindeutig identifiziert werden. So wird sichergestellt, dass die Pasten gemäß Rezeptur produziert werden. „Für die Identifikation der Rohstoffe bieten wir verschiedene Lösungen von Handheld Reader bis zum RFID-System an, welche die relevanten Rohmaterialien berührungslos identifizieren“, erklärt Klotz. Um sicherzustellen, dass der Mischprozess störungsfrei abläuft, werden die Zustandsdaten wie Vibration oder Temperatur des Mischers oder jeder anderen Anlage zur Batterieherstellung über Condition-Monitoring-Sensoren erfasst und über IO-Link an ein übergeordnetes System weitergegeben, das Alarm schlägt, falls bestimmte Grenzwerte erreicht werden.

100 Jahre Balluff: Trägerfolien für die Batteriezellenproduktion
Die fertigen Batteriezellen werden zu Modulen und Packs zusammengebaut.

Beschichten

Im nächsten Schritt laufen die bis zu neun Meter breiten Trägerfolien über ein komplexes System aus Rollen und werden mit dem Slurry über eine Düse oder Walze beschichtet. Vor der Beschichtung der Kupfer- und Aluminiumfolie wird die Rolle, auf der die Folie aufgewickelt ist, identifiziert. „Wird die falsche Trägerfolie eingesetzt, führt das zu hohen Ausschüssen“, so Paul McLachlan, Global Account Development Automotive bei Balluff. „Um das zu vermeiden, eignen sich unter anderem unsere RFID-Lösungen im Ultrahochfrequenz-Bereich für größere Reichweiten und eine automatische Erfassung mehrerer Rollen gleichzeitig.“ Um zu gewährleisten, dass für den Beschichtungsprozess stets ausreichend Material zur Verfügung steht, überwachen optische Distanzsensoren, wie viel Trägerfolie auf der Rolle übrig ist. Während die Folien über das Rollensystem laufen, messen Gabellichtschranken die Bahnkantenposition der Folien, um einen geradlinigen Bandlauf sicherzustellen. Damit auf den Rollen immer eine optimale Zugspannung herrscht, messen Neigungssensoren den Winkel des Tänzerarms, der die Abrollgeschwindigkeit regelt. Um den Beschichtungsprozess zu überwachen, werden üblicherweise Bildverarbeitungssysteme eingesetzt. „Unsere Industriekameras erzeugen schnell perfekte Bilder, die anschließend weiterverarbeitet werden können“, so Manuela Gruber, Global Account Development Automotive bei Balluff. Nach der Beschichtung wird Folie durch einen Trockner geführt.

Kalandern

Die abgekühlte und beschichtete Folie wird nun durch mehrere rotierende Walzenpaare geführt. Durch den entstehenden Druck wird die Beschichtung verdichtet. Dieser Prozess heißt Kalandern. Zur Verdichtung der beidseitig beschichteten Kupfer- bzw. Aluminiumfolien müssen die Bewegungen der Kalanderwalzen präzise ausgeführt werden. Drücken die beiden Walzen zu fest, wird die erforderliche Beschichtungsdicke nicht erreicht. Positionsmesssysteme von Balluff steuern diese Bewegungen des Kalanders und sorgen so für einen optimalen und konstanten Druck.

Stapeln und Wickeln

Im nächsten Schritt werden die fertigten Elektroden in hoch automatisierten Fertigungslinien zur Batteriezelle weiterverarbeitet. Zur Fertigung einer eckigen Pouchzelle werden die ausgestanzten Flächen gestapelt. Für Rundzellen oder prismatische Zellen werden die Schichten gewickelt. Es dürfen keine Doppellagen von Anode oder Kathode entstehen und die einzelnen Schichten müssen immer genau übereinander liegen. Das macht die Positioniergenauigkeit der Anoden, Kathoden und der dazwischenliegenden Separatoren zum zentralen Qualitätskriterium.

 

100 Jahre Balluff: Zellassemblierung
Die fertigen Batteriezellen werden zu Modulen und Packs zusammengebaut.

Zellassemblierung

Die fertigen Elektrodenstapel werden dann mit den Kontakten verbunden und in das jeweilige Gehäuse eingebracht. Die Zellen werden anschließend über ein Kontaktsiegel oder Schweißverfahren geschlossen. „Optische Prüfungen stellen sicher, dass die richtigen Zellen zusammengesetzt werden“, so Gruber. „Unsere Lichttaster unterstützen Roboter bei der automatisierten Batteriemontage und RFID-Komponenten sorgen währenddessen für eine lückenlose Rückverfolgbarkeit aller Prozessschritte.“

Unser breites Produktportfolio hilft unseren Kunden nicht nur dabei, einzelne Prozessschritte zu automatisieren, sondern ermöglicht die durchgängige Digitalisierung der gesamten Fertigung – und das auch in Giga-Ausmaßen.

Bernd Klotz, Director of Global Account Development Automotive

Klimafreundlich und vollautomatisiert

Die Batteriezellenfertigung hat bereits einen hohen Automatisierungsgrad erreicht. Jedoch besteht auch noch weiterhin Optimierungspotenzial. Balluff unterstützt seine Kunden auf diesem Weg mit präzisen, intelligenten und vernetzten Lösungen für die Fabrik der Zukunft. „Wir bieten verschiedene zukunftsfähige Konzepte: von IO-Link für verbesserte Prozessqualität über Track and Trace mit RFID und industrielle Bildverarbeitung bis hin zu Datenintegration und -verarbeitung mit IIoT-Lösungen“, fasst Klotz zusammen. „Unser breites Produktportfolio hilft unseren Kunden nicht nur dabei, einzelne Prozessschritte zu automatisieren, sondern ermöglicht die durchgängige Digitalisierung der gesamten Fertigung – und das auch in Giga-Ausmaßen.“

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