Automation for battery manufacturing

Reliable raw material feeding

In battery cell production, the liquid and granular raw materialsare fed in using pneumatically controlled process valves. These materials are often extremely abrasive and corrosive. To make surethe process is reliable, the automation components required need to be extremely sturdy.

This is precisely what the high quality butterfly valve units from Festo, made up of a butterfly valve, rotary actuator, pilot valve andsensor box, offer. They are also fully pre-assembled and tested, making commissioning fast and efficient. Pneumatic actuation takes place using the new modular control system CPX-E together with the attractively priced valve terminal VTUG from the Festo coreproduct range, as well as the tubing PUN-H, fittings QS, one-way flow control valve GRLA.

Accurate mixing

During mixing, a homogeneous coating paste (slurry) is produced that is applied to the electrode foils during the subsequent coating process.

To feed the raw materials into the mixer, Festo offers a complete unit made up of ball valve, quarter turn actuator, pilot valve and sensor box. The assembled and tested unit ensures that the active materials, conductive additives, solvents and binders are fed through in the precise quantity required by the recipe and conveys them at the correct flow rate. If a proportional controller is required, then the positioner CMSX can also be used.

Properly controlled drying

To dry the electrodes, the process chambers are continuously evacuated to remove moisture. To do this, a vacuum needs to be created in the dryer, controlled by the process valve units described in previous process steps. The moisture-laden air is evacuated from the unit using a butterfly valve or a ball valve. Festo offers both types. The mounting method is determined by the customer. The positioner CMSX is ideal if a proportional controller is required.

Highly precise calendering

After drying, the electrode foil is cooled, compressed by rotating rollers and homogenised. As part of this process, the foil is fed over different guide pulleys and precisely tensioned and relaxed using a dancer controller. For an even feed speed, the foil must also be temporarily stored in dancer rollers.

This can be done using the standards-based cylinder DSBC in combination with a pressure regulator VPPE or the new VPPI. The DSBC is also available in a low-friction version. If only short strokes are required, the unique fluidic muscle DMSP is recommended as an actuator. The DMSP is also friction-free, which means it works with absolute precision and achieves maximum repetition accuracy. Pneumatic actuation takes place using the attractively priced valve terminal VTUG together with the individual valve VUVG from the Festo coreproduct range, as well as the MS service units, tubing PUN-H, push-in fittings NPQR.

Cutter-protective slitting and secure fixing using web catchers

The purpose of slitting is to cut a wide strip of electrode foil into several narrower strips. This cutting process can be done thermally using laser cutting or carried out mechanically using a rolling cutter. To extend the cutter’s service life, a cooling liquid is sprayed directly onto the blade during this process. The liquid must be dispensed in a controlled way and in very small quantities. The dispense head VTOE from Festo is perfect for this task.

If the machine stops during the slitting process, the electron strips are secured using so-called web catchers. Fast-switching valves MHE4 and cylinders DSBC with low friction properties are used to ensure a fast response time and speed.

Perfect dust removal during slitting

The dust particles produced during slitting are collected by a special vacuum-based dust extraction system. This vacuum is regulated by process valve units with ball valve (consisting of SRBC, DPFD, VSNC, VZBD) or with a butterfly valve unit.

The dust deposits are removed from the dust collection containers using pulse valves. The pulse valve VZWE with its high flow rate is ideal for this task. The entire system can be controlled using a CPX-E. All valves VZWE that are used can be actuated in series as a group with a single signal via CPX-AP-I modules; this makes installation much easier.

极耳成型和极片分切期间快速更换工具

在下一个生产阶段，透过控制设备的上、下刀模剪切极片形成极耳。在叠片制程之前，正/负极卷料也会被裁切成单独的正/负极片材。在这一过程中，切割机械需采用重型切割或冲孔装置。由于这些装置非常沉重，以至于无法手动更换工具。

藉由 Festo 的平衡器解决方案 YHBP，在需要维修时，即使是重型工具也可以快速安全地移动和更换。气囊式气缸 EB 是拆卸这种工具的理想解决方案，因为它对高度的要求很低。换句话说，气囊式气缸可轻松安装在工具下方，同时还能够提供充足的力量举起重型零件。因此，EB 与平衡器套件 YHBP 是更换重型工具的完美组合。

精密且节能的极耳成型和极片分切

根据工厂的概念，在极耳成型过程结束后，将电极片储存在料盒中，或直接传输到下一个处理步骤。为了安全传输，利用真空将电极片固定在多孔传输带上。此过程所需的真空透过一个成套蝶阀（包括蝶阀 KVZA、旋转气缸 DFPD、向导阀 VSNC 和感测器盒 SRBC）进行调节。手动球阀 VZBF 充当排放阀，单独的真空管道由夹管阀 VZQA 调节，夹管阀由比例调压阀 VEAB 驱动。这有助于精确调节所需的真空度，并优化能耗。

高速堆叠

在生产软包电池时，会使用到堆叠制程，即电极片（正极片、隔板、负极片、隔板等）重复循环堆叠。 Festo 为这一特定流程提供完整的电气控制系统和物流系统，其中电气控制系统使用了Festo 最新内部控制协议的CPX-AP-I 阀岛，便于机械和电气设计，性能稳定，具有故障和自行诊断能力。多滑块运输系统 MCS，是一种实现工业自动化中灵活且模和物流系统化运输的完整系统解决方案，易于连接现有的内部物流系统，达成运输滑块的无缝输入和输出。

高速阀 MHJ9（切换频率高达 500 Hz），提供最大输出所需的极高速度。真空产生器 VN，产生抓取和传输电极片所需的真空。料盒的向上和向下移动，由有杆电缸 EPCC 或直线电缸 EGC 以极具成本效益的方式执行。这些过程可由 Festo 提供的一系列感测器或视觉系统监控，最后，新型控制系统 CPX-E 控制一切操作。

完美卷绕的精度

在卷绕电极片之前，会有短暂的暂停，以便用固定的切割刀具将其切割成所需长度。然后，将切割好的极片快速精准地送至绕线机。该步骤需要一种可实现同步运动的高精度装载系统，抓取系统（包括标准夹爪DHPC、单片阀 VUVG、螺杆电缸 ELGC-BS、伺服马达 EMMT-AS 和伺服驱动器 CMMT-AS）可确保这一必要精度，该步骤也由新型模组化控制系统 CPX-E 控制。

圆柱形和方形电池：精确、干净的卷绕和切割

圆柱形电池和方形电池的卷绕过程包括生产卷芯，其中包括正极片、隔板和负极片。为了精确控制电极片的移动，必须精确且平稳地移动大量的调节辊和卷料边缘。为此，气动肌腱 DMSP、比例调压阀 VPPE 和精密调压阀 LRP 组成一种创新解决方案。

DMSP 是一种完全无摩擦的驱动器，而 VPPE 的高精度调压可确保稳定一致的控制状态的松紧这些装置组合成一种非常精确的卷料控制系统。在卷绕过程中，当方形电池的卷芯达到所需厚度时，相互层叠的电极片就被切开。在此应用中，需要在一个十分有限的空间内非常精确且可靠地执行切割过程，易清洗的精巧型气缸 CDC 是完成这一任务的理想选择。 CDC 拥有平滑的表面和整合式近接开关，非常易于清洗，且能够轻松去除切割等过程中产生的电极粒子。

安全准确地填充电解液

将电池堆或卷芯插入电池外壳后，即可为电池注入电解液。电解液透过夹管阀 VZQA 计量，而夹管阀由单片阀 VUVG 或阀岛 VTUG 驱动─这些精巧阀来自 Festo 核心产品范围，具有出色性能且极具成本效益。

填注过程中的极端环境条件，要求材料具有耐腐蚀性和耐高温性。气管 PTFEN 和 316L 不锈钢接头 NPQR，是完成这项任务的理想选择。由于电解液会与水反应形成氢氟酸，因此在填充电池时，必须确保环境空气非常干燥。为确保这种情况，空气不断排空并从机器单元中排出，此过程所需的真空透过真空泵集中产生。调节功能由夹管阀 VZQA、向导阀岛 VTUG 和压力感测器 SPAN 组成的系统执行。

化成的精确可靠定位

化成是指对电池单元进行充电/放电的初始过程。电池存放在托架系统中的化成托盘上，并在化成期间重复充电和放电，这一过程需要花费几个小时。由于化成架非常大，因此需要具有长轴的高速抓取系统。 Festo 在类似系统方面提供包括装载和卸载化成托盘的多种解决方案，例如以电缸 EGC-TB 和螺杆电缸 EGC-BS、旋转气缸 DRRD 及重载夹爪 HGPT-B 组成的 3D 龙门。这些电缸由伺服马达 EMMT-AS 和伺服驱动器 CMMT-AS 驱动和控制，运动功能由具有 CODESYS 编程的新型模组化控制系统 CPX-E 执行。

精确控制的电解液废气处理过程

在形成过程中，电池内部会产生废气，我们需要在尽量减少电解液损失的前提下将废气排出。这可以透过使用空心吹管刺穿电池，在电解液也被吸出之前排出气体。随后切换系统，将吸出的电解液重新吹回电池中，同时永久除去剩余的气体。该步骤所需的真空也由真空泵产生，并由夹管阀 VZQA 和压力感测器 SPAN 控制。由于在此过程中需要小心控制真空和喷射脉冲，因此我们也推荐将比例调压阀 VEAB 与高精度压力感测器 SPAN 结合使用。

模组组装的不同抓取解决方案

生产出多个电池单体后，将它们组合成电池模块：在模块外壳中安装特定数量的圆柱形或软包电池，并透过粘合过程将其固定到位。使用角座阀 VZXA 或成套球阀（包括球阀、旋转气缸、向导阀和感测器盒），可以精确计量所需的粘合剂成分或粘合剂量。

使用 Festo 的抓取解决方案移动点胶头，用于放置胶点或涂覆胶珠。使用抓放装置将电池单体插入电池模块。根据轴的长度和精度需求，具有单个电缸 EGC 的龙门系统或高动态平面龙门 EXCH 也适用于执行这项任务。所有电缸系统始终采用伺服马达 EMMT-AS 和伺服驱动器 CMMT-AS。

方形电池：经济高效的模组堆叠方案

模组组装过程中，需要在涂​​胶之后将多个电池压紧堆叠，Festo 的伺服压机系统 YJKP 为侧向或垂直堆叠提供经济高效的方案。 YJKP 内含 Festo 提供的三个元件：模组化控制器、操作软体和配套的机电系统，这样就形成了一个包括执行冲压的螺杆电缸、马达、马达控制器、压力感测器和控制器的产品组合，实现高达 50 kN 的电动冲压应用所需的一切。装载和卸载由具有电缸的抓放解决方案完成，例如将电缸 ELGC 和 EGSC 连接在一起，并与真空夹爪解决方案结合使用。

成功案例：未来电池生产

电动汽车正在引领潮流。然而，它们的成功取决于高性能和高性价比的蓄电池。在英国，WMG 的试点项目 AMPLiFII 正在为新一代管理蓄电池奠定基础。该项目包括･Horizon･Instruments･的创新自动化技术和･Festo･的拾放解决方案。

点击此处阅读完整的成功案例。