Andererseits werden große, containergroße Batteriespeicher für die Energiespeicherung in privaten Haushalten, Gewerbebetrieben und Energieversorgern benötigt, um die Stabilität der zukünftigen grünen Energienetze zu gewährleisten.
 
Angebot und Nachfrage nach Batterien:
Dank historischer Investitionen und Planung haben sich Korea und China zu den führenden Standorten für die Batterieproduktion entwickelt. China ist der weltweit größte Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien und für rund 80 % der globalen Produktion verantwortlich. Die Unternehmensberatung McKinsey & Company prognostiziert, dass Chinas gesamte Produktionskapazität bis 2025 etwa 1.220 GWh erreichen wird.
 
Da westliche Regierungen beginnen, ihren Übergang von fossilen Brennstoffen zu Elektromobilität zu planen – um die im Pariser Abkommen festgelegten Umweltziele zu erreichen –, ist eine lokale Batterieproduktion erforderlich. Daher steigt die Produktionskapazität für Lithiumbatterien in Europa, da sich lokale Hersteller und ausländische Investoren darauf vorbereiten, die Nachfrage zu decken. Es wurden Pläne für neue Fabriken und die Erweiterung bestehender Anlagen angekündigt, die die Produktionskapazität für Lithium-Ionen-Batterien bis 2025 auf fast 500 GWh und bis 2030 potenziell auf fast 800 GWh steigern könnten.
 
Akkupacks für die Automobil-, Elektromobilitäts- und allgemeine Anwendungsmärkte können mit zylindrischen Zellen in Industriestandardgrößen, wie dem 18650-Formfaktor (18 mm Durchmesser, 65 mm Länge), oder mit Flachzellen in Standard- oder kundenspezifischen Größen hergestellt werden. Flachzellen können prismatisch sein und typischerweise in einem quadratischen, geschweißten Aluminiumgehäuse untergebracht sein oder als flexible Pouch-Zellen ausgeführt sein. Während zylindrische Zellen von hoher Festigkeit und Langlebigkeit profitieren, können Flachzellen den Platz im Akkupack besser nutzen. Pouch-Zellen, die kein Metallgehäuse besitzen, sind am platzsparendsten und leichtesten, benötigen jedoch in der Regel zusätzliche mechanische Verstärkung im Akkupack.
 
Herstellung sicherer und kostengünstiger Batterien:
Bei der Herstellung von Batterien beider Typen beginnt die Fertigung mit der Vorbereitung und dem Aufbringen aktiver und leitfähiger Beschichtungen auf die Elektrodenfolien und deren Laminierung. Präzision und Wiederholgenauigkeit sind entscheidend für die Konsistenz von Eigenschaften wie Beschichtungszusammensetzung und -dicke. Die Feinabstimmung der Zellparameter innerhalb der Batterie trägt zur Gewährleistung von Sicherheit und Langlebigkeit bei.
 
Geschwindigkeit und Effizienz sind ebenfalls kritisch, insbesondere in preissensiblen Märkten wie der Automobilindustrie. Reichweitenangst und Bezahlbarkeit sind zwei Schlüsselfaktoren für die breite Akzeptanz von Elektrofahrzeugen. Die Batterie spielt dabei eine wesentliche Rolle. Eine höhere Batteriekapazität bedeutet zwar eine größere Reichweite, aber auch höhere Fahrzeugkosten. Es wird erwartet, dass die Kosten um das Jahr 2025 mit denen konventioneller Verbrennerfahrzeuge gleichziehen werden, und der Verkauf neuer Verbrenner wird in den wichtigsten westlichen Märkten und in China voraussichtlich ab etwa 2030 eingestellt. Hersteller müssen die Kosten für Elektrofahrzeugbatterien senken. Skaleneffekte sind dabei sicherlich hilfreich, aber die Maximierung der Fertigungsproduktivität ist ebenfalls unerlässlich, um die breite Akzeptanz von Elektrofahrzeugen nach dem Auslaufen des Verbrennungsmotors zu gewährleisten.
 
Automatisierung ist der Schlüssel, um die für Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz notwendige Geschwindigkeit und Wiederholgenauigkeit zu erreichen. Für Prozesse wie die Vorbereitung und Beschichtung von Elektrodenfolien, das Walzen, Schneiden und Verschweißen der Elektroden werden häufig kundenspezifische Automatisierungsanlagen eingesetzt.
 
Zur Herstellung einer zylindrischen Zelle werden die Folienstreifen zum Zellkern gewickelt, der Anode, Separator und Kathode umfasst und anschließend in das zylindrische Gehäuse eingesetzt wird. Das Gehäuse wird mit Nuten versehen, um den Kern zu fixieren, mit Elektrolyt befüllt, versiegelt und die externen Kontakte angebracht. Flachzellen werden nach einem ähnlichen Verfahren gefertigt: Stapeln der Elektrodenlagen, Verschweißen des prismatischen Gehäuses sowie Formen und Versiegeln des Pouch-Verschlusses mittels Heiß- und Vakuumsiegelung. Die Zellen und Akkupacks werden elektrischen Tests und automatisierten Röntgenprüfungen unterzogen, um ihre Leistungsfähigkeit und Integrität sicherzustellen.
 
Flexible Automatisierung:
Der Einsatz von Robotern in der Fertigung bietet Vorteile wie kurze Zykluszeiten und präzise, ​​wiederholbare Arbeitsabläufe. Darüber hinaus wird die Systemintegration durch den Einsatz handelsüblicher programmierbarer Roboter beschleunigt. Weitere Vorteile sind die einfache Skalierbarkeit und die Flexibilität, das Fabriklayout und die Montageprozesse an die sich ändernden Marktanforderungen und Kundenbedürfnisse anzupassen.
Yamaha liefert seine Roboter an Batteriehersteller in ganz China und Korea, den Zentren der heutigen größten und erfolgreichsten Batterieindustrie. Die Roboter übernehmen ausgewählte Prozesse im Fertigungsprozess. Tatsächlich sind derzeit über 3.000 SCARA-Roboter in der chinesischen Batterieproduktion im Einsatz. Sie werden häufig zum Be- und Entladen von Materialien, Komponenten und Halbfertigprodukten verwendet, während die Batterien von einem automatisierten Fertigungsprozess zum nächsten transportiert werden.
 
Genauigkeit und hohe Geschwindigkeit sind selbstverständlich Voraussetzungen für diese Be- und Entladevorgänge. Ebenso wichtig sind Wiederholgenauigkeit und Zuverlässigkeit; die hohen Marktanforderungen erfordern eine Produktion, die oft rund um die Uhr läuft. Führende Batteriehersteller haben sich für Yamahas YKXG SCARA-Roboter für diese Anwendungen entschieden (Abbildung 1). Ihr leistungsstarker riemenloser Antriebsmechanismus mit Vertikalachsenmotoren und Direktantriebskugelgewindetrieben ermöglicht einen kontinuierlichen Betrieb über lange Zeiträume mit gleichbleibender Genauigkeit. Bewegungsverluste sowie die mit herkömmlichen Riemenantrieben verbundenen Verschleißerscheinungen und das Bruchrisiko werden vermieden. Der wartungsfreie riemenlose Antrieb senkt zudem die Betriebskosten.

Abbildung 1. Die SCARA-Roboter der Yamaha YKXG-Serie zeichnen sich durch ihren riemenlosen Antrieb und ihre hohe Tragfähigkeit aus.
 
Die zunehmende Verbreitung von Elektrofahrzeugen hat eine starke Marktnachfrage nach größerer Reichweite erzeugt. Automobilhersteller spezifizieren daher Akkupacks mit höherer Kapazität. Die YKXG-Serie erfüllt diese Anforderungen mit einer maximalen Tragfähigkeit von bis zu 20 kg für die Handhabung großer und teilmontierter Akkupacks. Yamahas spezielle R-Achsen-Konstruktion ermöglicht ein hohes Trägheitsmoment. Dadurch kann der Roboter große Massen handhaben, Beschleunigung und Verzögerung maximieren und die Stabilität beibehalten, was letztendlich eine kurze Zykluszeit gewährleistet.
 
Kartesische Roboter werden auch häufig für Versiegelungsprozesse bei der Montage quadratischer Batteriezellen eingesetzt. Langlebigkeit und Zuverlässigkeit sind für die Aufrechterhaltung der Produktivität von entscheidender Bedeutung. Yamahas kartesische Roboter (Abbildung 2) verfügen über Resolver zur Positionserkennung, die keine elektronischen Bauteile oder optischen Elemente enthalten und daher unempfindlich gegenüber Fabrikfett oder Staub sind. Dies führt zu außergewöhnlicher Zuverlässigkeit und gleichbleibender Genauigkeit. Die Kontaktführungen der kartesischen Roboterschienen profitieren von einer Zweipunktkonstruktion, die die Reibung minimiert und Ausrichtungsschwankungen verhindert, selbst bei hohen Momentenbelastungen.
 
 Abbildung 2. Kartesische Roboter bieten Präzision und Wiederholgenauigkeit durch die Kombination von mechanischer Stärke mit robuster Steuerung.
 
Während Einachsroboter häufig in Fabriken aller Art eingesetzt werden, bieten die linearen Transportmodule LCMR200 von Yamaha für Anwendungen, die einen Hochgeschwindigkeitstransport erfordern, einen schnellen, präzisen und flexiblen lokalen Transport zwischen Prozessen und innerhalb von Montagezellen (Abbildung 3). In Batteriefabriken werden sie oft für den Transport fertiger Baugruppen zur Röntgenprüfung eingesetzt. Da die LCMR200-Module präzise verbunden und koordiniert werden können, transportiert die Installation je eines Moduls auf jeder Seite des Schutzverschlusses am Eingang der Röntgenanlage die Baugruppen zum Prüfprozess und gewährleistet die Sicherheit der Bediener in der Nähe.
 
 

 
Abbildung 3. Die LCMR200-Transportmodule ermöglichen den flexiblen Transport von Bauteilen.
 
 
Insgesamt sind über 80 % der Fertigungsprozesse für moderne Hochleistungs-Lithiumbatterien automatisiert. Dabei kommt eine Kombination aus traditioneller Fabrikautomation und flexiblen, programmierbaren Robotern zum Einsatz, die gemeinsam höchste Qualität und Produktivität gewährleisten.
 
Yamaha, mit seiner langjährigen Erfahrung in Asien – einschließlich der Zusammenarbeit mit führenden Batterieherstellern und Systemintegratoren – bringt sein Know-how nun ein, um die Fertigung von Batterien der nächsten Generation in Europa zu unterstützen.
 
Fazit:
Der Einsatz von Robotern zur Automatisierung bestimmter Aspekte der Batteriemontage ermöglicht es Herstellern, Batterien nach höchsten Spezifikationen und unter Einhaltung strengster Kostenvorgaben zu fertigen. Die Unterstützung einer schnellen und qualitativ hochwertigen Montage geht zudem mit Flexibilität und Skalierbarkeit einher. Roboter mit einzigartigen Merkmalen zur Verbesserung von Genauigkeit und Langlebigkeit, die sich in führenden Batterieproduktionsregionen bewährt haben, können dazu beitragen, eine ausreichende Versorgung mit erschwinglichen Batterien sicherzustellen und so die wachsende Nachfrage verschiedenster Märkte weltweit zu decken.

Artikel bereitgestellt von der Yamaha Robotics FA-Sektion