Saubere Kontakte für hohe Energiedichte und Sicherheit

Werkstoffe 08. 02. 2022
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Trocken, effektiv, kosteneffizient und einfach zu automatisieren, mit diesen Eigenschaften hat sich die quattroClean-Schneestrahlreinigungstechnologie von acp systems bei verschiedenen Anwendungen in der Serienproduktion von Lithium­ionenakkus bereits einen Platz gesichert. Dazu zählt die Reinigung der Fügestellen vor dem Kontaktieren der Batterie­zellen, das als einer der kritischen Prozesse in der Fertigungskette gilt.

Bei der Umsetzung der Energiewende spielen Lithiumionenbatterien eine ­tragende Rolle. Und sie sind das Herz jedes Elektroautos, auf das ein entscheidender Teil der Wertschöpfung entfällt. Entsprechend hoch sind die Anforderungen. Im Mittelpunkt stehen dabei die Energie- und Leistungsdichte, Funktionsfähigkeit und Sicherheit der Akkumulatoren. Unabhängig davon, auf welchem Typ von Batteriezelle – üblich sind für Traktionsbatterien prismatische, zylindrische (Rund-) und Pouchzellen – der Akku basiert, während seiner Serienproduktion wurden vor beziehungsweise nach verschiedenen Fertigungsschritten 13 potenzielle Reinigungsprozesse identifiziert. Dies beginnt bei der Fertigung der Elektroden mit der Reinigung des Sub­strats vor dem Beschichten, reicht über die Reinigung der Elektrodensheets nach dem Vereinzeln durch Stanzen oder Laserschneiden und endet in der Batteriepackmontage mit der Vorbereitung der Klebeflächen des Batteriepackdeckels nach dem Integrieren der Module. Die Relevanz der Reinigung an den verschiedenen Stellen wird von Herstellern unterschiedlich beurteilt.

Sauberkeit der elektrischen ­Fügestellen ist sicherheitsrelevant

Als einer der sicherheitsrelevanten Prozesse in der Fertigung von Batteriemodulen gilt die Verschaltung der Zellen durch das elek­trische Verbinden der Kontaktflächen mit dem Ableiter, beispielsweise Leadframe oder Leiterplatte. Die Kontaktierung erfolgt ­unter anderem durch ­Ultraschalldrahtbonden oder Laserschweißen. Über diese ­Verbindungen fließen sehr hohe Ströme. Verschmutzte Nahtstellen können zu einer unzureichenden Kontaktierung führen, durch die sehr hohe Übergangswiderstände und als Folge davon Überhitzungen entstehen. Die Folge sind Leistungsminderungen und im schlimmsten Fall ein Brand. Partikel- und fettfreie Füge­bereiche sind deshalb ein wesentliches Qualitäts- und Sicherheitskriterium.

Durch das Zusammenspiel von vier Reinigungsmechanismen entfernt der quattroClean-Strahl partikuläre und filmische Verunreinigungen prozesssicher und reproduzierbar von den Kontaktstellen der Batteriezelle (Bild: acp systems AG)

 

Trockene, effektive und ­klimaneutrale Reinigung

Es besteht daher ein wachsender Bedarf an geeigneten Reinigungslösungen, die in die automatisierte Fertigung integriert werden können. Mit der quattroClean-Schneestrahltechnologie bietet die acp systems AG ein effektives, trockenes und vergleichsweise kostengünstiges Reinigungsverfahren. Es kommt bereits bei verschiedenen Anwendungen in der automatisierten Serienfertigung von Lithium­ionenbatterien zum Einsatz. Dazu zählt die Reinigung der Kontaktflächen von Batteriezellen und Leadframes sowie Bondflächen bei Leiterplatten.

Die in rund 1500 realisierten Reinigungssystemen eingesetzte Technologie nutzt flüssiges, nicht korrosives und nicht brennbares Kohlendioxid als Reinigungsmedium. Es wird durch eine verschleißfreie Zweistoff-Ringdüse geleitet und entspannt beim Austritt aus der Düse zu feinem CO2-Schnee. Diesen Kernstrahl bündelt ein separater, ringförmiger Druckluft-Mantelstrahl und beschleunigt ihn auf Überschallgeschwindigkeit. Trifft der gut fokussierbare Schnee-Druckluftstrahl auf die zu reinigende Kontaktfläche kommt es zu einer Kombination aus thermischem, mechanischem, Sublimations- und Lösemitteleffekt. Das Zusammenspiel dieser vier Wirkmechanismen entfernt partikuläre Verunreinigungen – selbst im Submikrometerbereich – sowie filmische Kontaminationen prozessstabil und reproduzierbar.

Das kristalline Kohlendioxid sublimiert während der Reinigung vollständig, das Reinigungsgut ist daher sofort trocken und kann direkt kontaktiert werden. Gleichzeitig sorgt die aerodynamische Kraft der Druckluft dafür, dass von der Oberfläche abgelöste Verunreinigungen weggeströmt und durch eine integrierte Absaugung aus dem Reinigungsmodul entfernt werden.

Das für die Reinigung verwendete Kohlen­dioxid entsteht als Nebenprodukt bei chemischen Prozessen und der Energiegewinnung aus Biomasse. Es ist daher klimaneutral.

Flexibel in Batteriemodul-­Montagelinien integrierbar

Durch seine Skalierbarkeit lässt sich das quattroClean-Reinigungssystem einfach und platzsparend in verkettete/­digitalisierte Modul-Montagelinien von prismatischen, zylindrischen und Pouch-Batteriezellen integrie­ren. Sehr kurze Taktzeitvorgaben werden dabei ebenfalls eingehalten. Die Prozessaus­legung und -validierung erfolgen kunden­spezifisch durch Versuche im Technikum des Anlagenbauers. Dies beinhaltet die Anpassung der Prozessparameter wie Volumenströme für Druckluft und Kohlendioxid, Art und Anzahl der strahlenden Düsen, Strahl­bereich und -zeit während der Reinigung an die jeweiligen Anforderungen.

Für eine gleichbleibend hohe Prozessqualität wird die Strahlkonsistenz jeder Düse kontinuierlich mit einem Sensorsystem überwacht. Darüber hinaus erfolgt eine Überwachung der Düsen hinsichtlich CO2- und Druckluftzufuhr sowie Strahldauer. Die ermittelten Werte werden automatisch gespeichert und können an ein übergeordnetes System zur Erfassung aller Produktionsdaten übergeben werden. Die quattroClean-Schneestrahltechnologie erfüllt damit auch die Anforderung, jeden Schritt in der Wertschöpfungskette Batterieproduktion transparent, nachvollziehbar und nachhaltig zu machen.D. Schulz

Kontakt:

acp systems AG, Günther Schmauz,

E-Mail: info@acp-systems.com

 

Da das kristalline Kohlendioxid während der Reinigung vollständig sublimiert, sind die Flächen sofort trocken und können direkt kontaktiert werden (Bild: acp systems AG)

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