Die Entwicklung von Festkörperbatterien gilt als einer der vielversprechendsten Ansätze für die Energiespeicherung der Zukunft. Für eine Forschungsanlage zur Materialentwicklung konzipierte IEF-Werner in Zusammenarbeit mit MBRAUN eine Automatisierungslösung für die Assemblierung von Batteriezellen: Ein roboterbasierter Einzelblattstapler positioniert Anoden-, Kathoden- und Separatorfolien hochpräzise und reproduzierbar unter Schutzgasbedingungen.
In der Batterieforschung werden Elektroden- und Separatorfolien häufig noch manuell verarbeitet – und die einzelnen Sheets dabei mit Hilfsmitteln wie Pinzetten aufeinandergestapelt. Das ist zeitaufwendig und fehleranfällig. Insbesondere bei der Entwicklung neuer Zellkonzepte ist jedoch eine reproduzierbare Qualität entscheidend. „Unsere Aufgabe bestand darin, für unseren Kunden MBRAUN das bisherige manuelle Verfahren zu automatisieren und gleichzeitig die erforderliche hohe Präzision sicherzustellen“, erklärt Sandro Schwer, Projektverantwortlicher bei IEF-Werner. Ziel war es, Anode, Kathode und Separator exakt übereinander zu positionieren, ohne Versatz in Lage oder Winkel.
Hohe Anforderungen an die Stapelgenauigkeit
Die Anforderungen an die Positioniergenauigkeit sind hoch: Die einzelnen Lagen müssen mit einer Genauigkeit von ±0,1 Millimetern sowie ±0,1 Grad zueinander ausgerichtet sein. Bereits kleinste Abweichungen können dazu führen, dass der resultierende Zellstack nicht weiterverarbeitet werden kann.
Das ist insbesondere deshalb kritisch, weil die gestapelten Zellen im weiteren Prozess in eine Aluminiumfolie eingeschweißt werden. Nur präzise ausgerichtete Schichten stellen eine stabile und funktionsfähige Zellstruktur sicher. Zusätzlich erschweren unterschiedliche Dicken von wenigen Mikrometern und unterschiedliche Größen der Einzelsheets den Stapelprozess.
Neben der reinen Positioniergenauigkeit spielt beim Elektrodenstapeln auch die Prozessqualität eine entscheidende Rolle: Ungenaue Überdeckungen von Anode, Kathode und Separator können die Zellperformance beeinträchtigen, die Stromverteilung verschlechtern oder im schlimmsten Fall interne Kurzschlüsse verursachen. Eine reproduzierbare und partikelfreie Stapelung ist daher essenziell für Effizienz, Lebensdauer und Sicherheit moderner Batteriezellen.
Roboterbasierter Einzelblattstapler
Kern der Anlage ist ein roboterbasiertes Handlingsystem, das die Folien automatisiert vereinzelt und auf einem Stapeltisch ablegt. Die Materialien werden über Magazine bereitgestellt, die das Bedienpersonal manuell bestückt. Je nach Zellaufbau enthalten diese beispielsweise mehrere Anoden-, Kathoden- und Separatorlagen.
Ein speziell entwickelter Greifer entnimmt die einzelnen Sheets und positioniert sie präzise. Dabei kommt ein Mehrfach-Vakuumgreifer zum Einsatz, der die empfindlichen Materialien schonend handhabt. Um Verunreinigungen und Querkontamination zwischen Anoden- und Kathodenmaterialien zu vermeiden, werden die unterschiedlichen Werkstoffe jeweils mit separaten Greifwerkzeugen verarbeitet. Dadurch wird eine Verschleppung feinster Partikel zwischen den einzelnen Lagen zuverlässig verhindert. Abhängig von der Anwendung können alternativ zum Roboter auch kartesische Handhabungssysteme zum Einsatz kommen.
Integration in die Glovebox
Eine besondere Herausforderung stellte die Integration der Anlage in eine Glovebox dar. In der Batteriefertigung sind spezifische Prozessbedingungen erforderlich, da viele Materialien empfindlich auf Feuchtigkeit, Sauerstoff und andere Luftbestandteile reagieren. Die gesamte Handhabung erfolgt daher in einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise mit Argon oder Stickstoff. „Bereits geringe Mengen an Wasser oder Sauerstoff können unerwünschte chemische Reaktionen auslösen und die Qualität der Zellkomponenten beeinträchtigen“, erläutert Schwer.
Für die Konstruktion bedeutet das: Alle eingesetzten Komponenten müssen für den Betrieb in dieser Umgebung geeignet sein. Gleichzeitig ist eine möglichst kompakte Bauweise entscheidend. Anders als bei einem klassischen Trockenraum wird beim Glovebox- beziehungsweise Mini-Environment-Ansatz nur der eigentliche Prozessbereich eingehaust. Dadurch bleibt das zu reinigende Volumen sehr klein, während innerhalb der Anlage dauerhaft hochreine und stabile Prozessbedingungen gewährleistet werden.
Gegenüber konventionellen Trockenraumlösungen führt diese Vorgehensweise zu einer deutlichen Reduktion von Energieverbrauch sowie Investitions- und Betriebskosten. Gleichzeitig profitieren Forschungsanwendungen von konstanten und reproduzierbaren Bedingungen sowie einem sicheren Umgang mit sensiblen Materialien.
Flexibel für unterschiedliche Zellkonzepte
Die Anlage ist als Versuchssystem ausgelegt und ermöglicht es, verschiedene Zellaufbauten umzusetzen. Auf diese Weise lassen sich diverse Stapelkonfigurationen sowie unterschiedliche Formate verarbeiten. Das muss allerdings jeweils sortenrein innerhalb eines Prozesses erfolgen.
Damit unterstützt die Lösung insbesondere die Entwicklung und Erprobung neuer Materialien und Zellarchitekturen. Die automatisierte Stapelung sorgt dabei für reproduzierbare Bedingungen und erhöht die Aussagekraft der Versuchsergebnisse.
Auch wenn die Anlage aktuell im Laborumfeld eingesetzt wird, zielt das Konzept bereits auf eine spätere Skalierung ab. Durch die Teilautomatisierung des Stapelprozesses lassen sich Erkenntnisse gewinnen, die sowohl im Low- als auch im High-Volume-Bereich auf künftige Produktionslinien übertragbar sind. „Der automatisierte und präzise Aufbau der Zellstacks ist eine zentrale Voraussetzung dafür, dass sich neue Batterietechnologien später wirtschaftlich fertigen lassen“, erläutert der IEF-Projektverantwortliche.
Bedeutung für die Zukunft
Die Entwicklung von Festkörperbatterien wird weltweit intensiv vorangetrieben. Für Automatisierungsspezialisten eröffnet sich damit ein neues Anwendungsfeld mit großem Potenzial. „Gerade jetzt in diesem Technologiefeld aktiv zu sein, ist für uns strategisch wichtig“, betont Schwer. „So können wir frühzeitig Know-how aufbauen und uns ein weiteres Standbein für zukünftige Konzepte sichern.“
