Виробництво акумуляторних батарей зростає, що зумовлено зростаючим попитом на електромобілі (EV), розвитком зберігання відновлюваної енергії та побутовою електронікою. Ці тенденції відкрили багато цікавих можливостей для компаній, які хочуть увійти в цей сектор.

Однак, незважаючи на швидку революцію, виробництво акумуляторних батарей пов'язане з багатьма викликами. Від вибору відповідних компонентів автоматики до забезпечення високої якості продукту, ось кілька технічних порад, про які слід пам'ятати, якщо ви плануєте увійти в цю захоплюючу галузь.

Зарядний штекер електромобіля як символ енергоефективності та зниження витрат при виробництві акумуляторів

Вибір відповідних компонентів

Успіх виробництва акумуляторних елементів залежить від вибору компонентів автоматики. Наприклад, щоб уникнути забруднення елементів, важливо вибирати деталі, які не містять міді, нікелю та цинку. Ці метали можуть викликати електрохімічні реакції в акумуляторних елементах, що погіршує їхню продуктивність і термін служби. Забруднення також можуть призвести до мікрозамикань та інших несправностей, що загрожує безпеці та надійності акумуляторів.

Шасі електромобіля з акумуляторною батареєю на фоні автоматизованої лінії виробництва

Festo пропонує широкий асортимент пневматичних та електричних компонентів автоматизації, які підтримують весь процес виробництва акумуляторів. Ці продукти, що характеризуються високою пропускною здатністю та повторюваністю, підходять для багатьох різних етапів процесу, включаючи транспортування, подачу, контроль агресивних середовищ, пресування та обслуговування деталей. У нашій комерційній пропозиції ми також маємо ряд деталей, що не містять міді, цинку та нікелю, а також компоненти, що відповідають стандарту ISO 14644-1 для чистих приміщень.

Пневматичні компоненти Festo для дегазації та герметизації комірок акумуляторів електромобілів

Оптимізація виробничих процесів

Оптимізація виробничого процесу має ключове значення для збереження конкурентоспроможності в динамічно розвиваючійся галузі виробництва акумуляторних елементів. Подумайте, як ви можете точно планувати і контролювати всі етапи виробництва, такі як підготовка сировини, складання елементів і тестування на кінці лінії. Постійне вдосконалення процесів також дозволить знизити виробничі витрати, зберігаючи при цьому високу якість акумуляторних елементів.

Інженер проводить налагодження та оптимізацію систем керування на лінії виробництва акумуляторних комірок

Впровадження контролю якості

Безпека та надійність продукції залежать від належного контролю якості. Автоматизовані системи тестування забезпечують точність і послідовність випробувань. Ретельний контроль якості не тільки сприяє безпеці продукції, але й зменшує кількість відходів та трудомістких переробок.

Станція автоматизованого контролю якості під час виробництва літій-іонних акумуляторних батарей для електромобілів

Інвестуйте у своїх співробітників

Добре навчені співробітники є основою будь-якого процвітаючого виробничого підприємства. Не забувайте інвестувати в постійне навчання та розвиток свого персоналу за допомогою цифрових та фізичних навчальних курсів з метою набуття технічних навичок та сприяння безпеці та екологічній свідомості. Кваліфікована команда потребує менше часу на навчання і вчасно виявляє виробничі проблеми, що призводить до проактивних дій з оптимізації виробничих процесів.

Спеціаліст виконує налаштування пневматичних систем для забезпечення гнучкості виробництва акумуляторів

Навчання персоналу роботі з обладнанням для тестування та виробництва акумуляторів EV

Спеціалісти контролюють процес підготовки та формування електродів на лінії виробництва акумуляторів

Врахування всіх екологічних аспектів

Виробництво акумуляторних елементів пов'язане з різними екологічними аспектами, які необхідно враховувати. Приклади включають видобуток сировини, споживання енергії та утилізацію відходів. Зосередьтеся на використанні екологічно чистих матеріалів і процесів та впроваджуйте програми переробки відходів, щоб мінімізувати свій екологічний слід.

Інфографіка життєвого циклу акумулятора, що ілюструє безпеку та чистоту виробництва літій-іонних батарей

Відповідність нормам

Відповідність нормам і законодавчим вимогам є важливою частиною виробництва акумуляторних елементів. Вони можуть включати норми безпеки та охорони навколишнього середовища, а також особливі вимоги до літій-іонних елементів. Дотримання цих норм дозволяє мінімізувати юридичні ризики та завоювати довіру клієнтів і партнерів.

Чому пневматика використовується у виробництві літій-іонних акумуляторів?

1. Точність і повторюваність

Лінія виробництва літієвих елементів вимагає контролю та точного позиціонування матеріалів, наприклад, сепараторів, електродів, сполучних стрічок. Пневмоциліндри забезпечують стабільні та повторювані рухи, що є ключовим фактором при маніпулюванні делікатними або тонкими шарами електродів (мідні, алюмінієві фольги, активні покриття).

2. Чистота та безпека

Пневматика (у порівнянні з гідравлікою) не створює ризику витоку масла. У середовищі, де виробляються елементи (часто в сухих зонах, що мінімізують вологість), чистота є пріоритетом. Існує менший ризик забруднення хімічними речовинами, що є ключовим фактором у сухих камерах або в зонах з низькою вологістю повітря.

3. Гнучкість і простота інтеграції

пневматичні системи легко поєднувати з системами управління PLC і робототехнікою
швидке регулювання швидкості, сили і положення (за допомогою клапанів, регулятора тиску)
у разі необхідності модифікації лінії (зміни форматів елементів або модулів) – легко замінити привід або параметри управління

4. Вартість та енергоефективність

Пневматика, хоча і вимагає стисненого повітря (компресора, системи розподілу), може бути економічною в циклічних застосуваннях при відповідному управлінні енергією. Виробники пневматичних приводів і клапанів працюють над зменшенням споживання повітря та зменшенням опору руху.

Візуалізація дотримання стандартів безпеки та нормативних вимог на лінії виробництва літій-іонних батарей

Етапи виробництва літій-іонних елементів та застосування силових приводів

2.1. Підготовка та формування електродів

Нанесення активної маси (наприклад, що містить LiCoO₂, NMC, LFP тощо) на металеву фольгу (мідну/алюмінієву). Пневматика в цьому випадку використовується для позиціонування рулонів фольги в машинах для нанесення покриття, притискання матеріалу та регулювання руху стрічок. Регулятори притискного тиску (тиску) або притискні циліндри (каландри) дозволяють підтримувати рівномірну товщину покриття.

2.2. Різання та конфігурація електродів

Після висушування електродів сегменти ріжуться та формуються. Ширина, форма накладок – все це вимагає стабільного інструменту. Пневматичні циліндри в ножицях або штампах забезпечують точність руху та повторюваність сили.

2.3. Намотування або укладання шарів (roll-to-roll / stacking)

Літієвий елемент у формі циліндра утворюється шляхом намотування електродів і сепаратора, а у призматичних – шляхом шаруватого укладання. Маніпулятори з пневматичними циліндрами або роликові конвеєри, що приводяться в рух циліндром, допомагають укладати елементи в стерильних умовах (часто в камерах з низькою вологістю). Точність руху має ключове значення: мінімальне зміщення плівки може спричинити коротке замикання в елементі!

2.4. Зварювання полюсів і роз'ємів

Для з'єднання електродів з полюсами використовується ультразвукове або лазерне зварювання. Ці пристрої часто мають пневматичні притискні циліндри, щоб забезпечити рівномірний контакт зварюваних елементів, мінімізуючи похибку позиціонування.

2.5. Закриття елемента та наповнення електролітом

На етапі закриття корпусу (у вигляді сталевого циліндричного корпусу або плівкового пакета) пневматичні циліндри беруть участь у механізмах капсулювання, затискання елементів та переміщення елементів по лінії. Наповнення електролітом – точне подавання в машинах для наповнення, а також транспортування, може використовувати пневматичні приводи з невеликою силою і швидкими циклами.

2.6. Кінцеве формування та випробування

Формування полягає в заряджанні елементів до певного рівня, що стабілізує хімічний склад елемента. Також в цьому процесі – обслуговування палет і випробувальних тримачів часто автоматизовано за допомогою приводів і захватів пневматичних.

Графічна візуалізація фінального етапу формування та тестування акумуляторної батареї в конструкції електромобіля

Монтаж модулів та акумуляторних батарей в автомобільній промисловості

3.1. Складання модулів з окремих елементів

Кілька десятків або сотень елементів з'єднуються в модуль, наприклад, в електромобілях. Тут знову використовуються пневматичні системи маніпулювання, притискання електродів до охолоджувальної пластини, переміщення в контрольній станції. Силові приводи притискають елементи до направляючих, зберігаючи рівномірні відстані та усуваючи ризик механічних пошкоджень

3.2. Монтаж і закручування

При з'єднанні модулів з механікою транспортного засобу часто використовуються автоматичні пристрої для закручування гвинтів з пневматичним або гібридним приводом. Рами модулів можуть переміщатися (pick & place) за допомогою циліндрів більшого діаметра, щоб отримати достатню силу для плавного транспортування.

3.3. Тестування герметичності та контроль якості

Після складання акумуляторних модулів тестові станції перевіряють герметичність системи охолодження (відведення тепла). Пневматичні клапани та циліндри керують потоком тестового повітря або води з метою виявлення можливих витоків.

Група фахівців обговорює процес тестування герметичності модулів акумуляторних батарей на автоматизованому виробництві

Переваги пневматичних приводів у виробництві елементів та акумуляторів для електромобілів

Чисті та сухі в експлуатації — відсутність ризику забруднення маслом, що є важливим у сухих приміщеннях для виробництва літій-іонних акумуляторів (де вологість підтримується на рівні навіть <1%).
Гнучкість сили та швидкості - прості регулювальні клапани забезпечують плавне регулювання.
Сумісність з чистими приміщеннями - сучасні виробники приводів (наприклад, з ущільненнями типу low friction, конструкціями, що зменшують викиди частинок) відповідають вимогам ISO класів 7-8 в чистих приміщеннях.
Швидке обслуговування - пневматичні приводи мають просту конструкцію, заміна ущільнень і направляючих кілець є легкою.

Переваги використання пневматичних циліндрів та приводів на автоматизованій лінії складання акумуляторів

Виклики та способи їх вирішення

5.1. Вимога точності та мінімізація стік-сліпу

При низьких швидкостях і невеликих зусиллях явище stick-slip може спричинити нестабільний рух поршня. Виробники приводів використовують спеціальні ущільнення та покриття циліндра-поршня, а також прецизійні пропорційні клапани, щоб забезпечити плавність руху.

5.2. Обслуговування делікатних компонентів

Електродні плівки та сепаратори є тонкими (кілька-декілька десятків мікрометрів). Тиск притиску повинен контролюватися, щоб не пошкодити матеріал. На практиці: приводи малого діаметра, редукційні клапани, датчики, що визначають силу притиску.

5.3. Сумісність із сухими приміщеннями

Деякі пневматичні системи вводять невеликі кількості масляного туману. Тому в висококласних чистих приміщеннях використовуються безмасляні (або дуже добре відфільтровані) пневматичні системи та циліндри з сухим мастилом.

5.4. Розширення та масштабованість

Лінії з виробництва елементів або модулів акумуляторів повинні бути гнучкими щодо зростаючого попиту. Модульна пневматика дозволяє швидко додавати нові станції, замінювати приводи на більші, без капітальної перебудови гідравліки або електричних установок.

Якщо вас зацікавила ця тема, рекомендуємо також прочитати статтю: Універсальні елементи автоматики для виробництва та монтажу батарей.