Guanti di velluto per le batterie

La mobilità elettrica è stata promossa per la prima volta dal governo tedesco già nel 2009. Anche lo sviluppo e l’Implementazione della tecnologia legata alla produzione delle batterie viene promossa in egual modo: l’economia e la politica lavorano per migliorare il know-how in materia di sviluppo e produzione. Nel 2021, nel corso dell’evento “Forum sulle batterie in Germania”, il Dott. Michael Meister, Segretario di stato parlamentare del Ministero federale dell’istruzione e della ricerca ha affermato che in Germania è possibile avere una produzione economicamente sostenibile delle batterie. Questa affermazione viene confermata anche dalle case automobilistiche, dai rapporti di cooperazione, dai laboratori di ricerca e dalle attività che puntano a introdurre produzioni di serie. Le batterie non sono solo importanti per le auto elettriche ma anche per tantissime altre applicazioni quotidiane. Dagli avvitatori a batteria, alle biciclette elettriche, fino agli smartphone - l’elettricità “da asporto” è ormai insostituibile. Questa è altrettanto importante anche per le applicazioni fisse, ad esempio per accumulare l’energia rigenerativa prodotta.

Tutte queste applicazioni hanno esigenze specifiche che devono essere soddisfatte dalle tecnologie legate alle batterie. Per la produzione, il tipo di impiego non è determinante - è invece importante dedicare la massima attenzione e precisione nella produzione competitiva delle celle. In produzione sono ormai insostituibili i piccoli dispositivi che permettono di trasportare con delicatezza i fragili catodi, anodi, separatori e celle di porcellana: i dispositivi di presa speciale e i sistemi di presa di J. Schmalz GmbH.

Due paste e due pellicole di lamiera rappresentano i componenti di base di una batteria di alimentazione. Per l’anodo, alla pellicola di rame viene applicata una massa di grafite. Il catodo comprende una pellicola di alluminio sulla quale viene applicata una miscela di ossido di metallo composto da nichel, cobalto, manganese e litio. Le pellicole rivestite su entrambi i lati vengono essiccate, calandrate e tagliate su misura. Adesso possono essere impilate. “A riguardo consigliamo l’impiego del dispositivo di presa speciale STGG che è in grado di movimentare le pellicole delicate in modo estremamente dinamico”, spiega il Dott. Maik Fiedler, Responsabile della Divisione Automazione con il Vuoto e Movimentazione con il Vuoto. Il dispositivo STGG impila in sequenza anodo, separatore, catodo e nuovamente separatore. Per questo tipo di processo è importante sia la velocità che l’accuratezza del posizionamento. La pinza di presa non deve lasciare alcuna impronta né deve contaminare il delicato rivestimento. “La nostra soluzione si chiama PEEK”, afferma il Dott. Fiedler. Utilizzando il resistentissimo polietere etere chetone, Schmalz produce una piastra di aspirazione con tanti piccoli fori che può aspirare su tutta la sua superficie. La superficie piatta riduce al minimo la pressione. La funzione di soffiaggio attiva del dispositivo STGG accelera il processo Pick & Place, mentre la portata elevata impedisce che delle particelle rimangano sugli elettrodi. Una generazione di vuoto pneumatica senza parti mobili permette di impiegare il dispositivo di presa speciale anche nelle camere bianche e asciutte.

Il dispositivo di presa speciale STGG può essere impiegato anche per la separazione e il posizionamento delle sottili pellicole del separatore. I separatori sono composti principalmente da materie plastiche flessibili e porose o da non tessuto. Questi hanno il compito di separare fisicamente l’anodo dal catodo impedendo un cortocircuito. Altresì, i separatori sono permeabili agli ioni di litio positivi che durante lo scaricamento passano dall’anodo al catodo e invece tornano indietro in fase di caricamento. “I dispositivi STGG funzionano con una portata elevata e pertanto afferrano anche materiali porosi in modo sicuro”, spiega il Dott. Fiedler. La superficie conforme ESD dissipa la carica elettrostatica in modo affidabile e impedisce la tanto temuta adesione.

Dopo aver completato la pila di celle, le estremità in eccesso vengono tagliate e il pacchetto viene inserito in un sacchetto. Dopo essere stato completamente sigillato, il sacchetto sarà pronto per l’iniezione di elettrolita. “I sacchetti di celle sono estremamente delicati e non devono essere deformati dalla pinza di presa. Inoltre, a seconda del loro campo di applicazione, possono avere forme varie”, spiega il Dott. Fiedler. La pinza di presa leggera SLG si adatta a tutti i tipi di geometrie. Schmalz produce questa pinza di presa in modo additivo, in base alla configurazione che il cliente ha eseguito online e garantisce tempi di consegna brevi. Per non deformare la pellicola composita di alluminio del sacchetto di celle durante la presa viene utilizzata la ventosa strutturata della serie SFF o SFB1. Entrambe le varianti abbiano una superficie ventosa a nido d’ape con un labbro di tenuta particolarmente morbido e piatto. Questa caratteristica permette alle ventose di applicare una forza di aspirazione delicata ma elevata senza deformare la superficie del sacchetto di celle.

Oltre al materiale, alla geometria e alle dimensioni della pinza di presa è importante anche il vuoto. Per garantire una movimentazione altamente dinamica e sicura, è importante non sono dome ma anche dove viene generato il vuoto. “Il nostro generatore di vuoto decentrato della serie SCPM soddisfa tutte queste esigenze. È compatto ed efficiente”, afferma il Dott. Fiedler. Le unità sono così piccole da poter essere montate vicino alla ventosa in modo da ridurre al minimo le perdite di potenza. La valvola dell’eiettore compatto si chiude disattivando l’alimentazione di corrente. In questo modo la pinza di presa mantiene le celle delle batterie in modo sicuro anche in assenza di energia elettrica. “Un ulteriore vantaggio è rappresentato dal fatto che l’utente può integrare funzioni speciali nel sistema, come ad esempio una generazione di vuoto ridondante o il riconoscimento pezzi”, continua il Dott. Fiedler.

Il sistema di movimentazione idoneo posiziona le singole celle in un modulo e queste vengono collegate in serie o in parallelo. Più moduli formano una batteria: in base al produttore e alla categoria di veicolo, questa può comprendere alcuni o più sacchetti di celle.

Il vantaggio dei sacchetti di celle é che possono essere realizzati piatti in modo da dissipare bene il calore. Questi sono versatili e utilizzano in modo ottimale il volume disponibile in un modulo batteria. Svantaggi: la guaina è delicata e non protegge anodi, catodi e separatori dagli impatti meccanici. Inoltre, a causa del processo di invecchiamento, potrebbero presentare dei rigonfiamenti. In alcune autovetture elettriche, nei dispositivi elettronici ,nelle bici elettriche e negli utensili vengono utilizzate spesso celle con custodia rigida. “Per la movimentazione delle celle rotonde durante il montaggio del modulo, agli utenti vengono offerte pinze di presa che possono essere configurate a piacere. La configurazione viene eseguita in base al diametro delle singole celle, alla sequenza di posizionamento e al numero da prelevare” spiega il Dott. Maik Fiedler. “Grazie alla stampa in 3D, il problema delle dimensioni del lotto è stato risolto.” Se L#utente sceglie una ventosa un materiale speciale HT1 che non lascia impronte, la cella può essere afferrata direttamente dal polo - il materiale funge anche da isolante. In questo modo è possibile posizionare in modo sicuro anche le celle cariche. Per garantire un processo Pick-&-Place veloce e pulito è importante anche una portata elevata. “In questo caso si contraddistingue il generatore di vuoto. Gli eiettori dispongono di una valvola di sicurezza che, anche senza corrente, mantengono il vuoto e quindi assicurano la movimentazione”, sottolinea il Dott. Fiedler. Se le celle rotonde devono essere prelevate longitudinalmente, Schmalz consiglia la ventosa magnetica SGM nella versione High-Performance. In questo caso la movimentazione viene assicurata da un magnete permanente. “Queste ventose sono compatte, leggere e non sviluppano forze di presa elevate”, racconta il Dott. Fiedler in merito ai loro vantaggi. Sono in grado di mantenere la presa se il rivestimento della batteria è ferromagnetico.

Abbiamo quasi finito: dalle pellicole abbiamo realizzato le celle. Le celle sono raggruppate in moduli e quindi in pacchetti batterie con piastre di raffreddamento, cavi e componenti elettronici. “Qui la flessibilità è tutto. La geometria degli accumulatori è altrettanto variabile come le strutture superficiali”, spiega il Dott. Maik Fiedler. Anche se i moduli sono pesanti questi non devono essere danneggiati dalla pinza di presa - il vuoto ci riesce. La pinza di presa ad area FQE è modulare e particolarmente indicata per le applicazioni Pick & Place. Altrettanto universale è la pinza di presa ad area FMP. La sua spugna di tenuta si adatta alle superfici strutturate. Entrambe vengono alimentate da una generazione di vuoto energicamente efficiente ed integrata che garantisce costi di esercizio ridotti.

Le fasi di lavoro che non possono essere automatizzate, lo sforzo dei montatori viene ridotto dai dispositivi di sollevamento automatico come i sollevatori a vuoto JumboFlex. Sia i moduli di raffreddamento che le piastre di copertura possono essere posizionati manualmente sul corpo della batteria. L’unità di comando Safety+ dona maggiore sicurezza all’unità: il concetto a due mani permette di proteggere i pezzi particolarmente delicati durante l’operazione di distacco. Inoltre, permette di ridurre la velocità di abbassamento.

Adesso il pacchetto batteria è pronto per la prova di tenuta - l’alloggiamento e il sistema di raffreddamento non devono presentare alcun tipo di perdita. Il sistema di gestione batterie comprende un software all’avanguardia specifico per il tipo di autoveicoli e la prima procedura di caricamento/scaricamento viene eseguito sotto l’attento controllo di un supervisore. Se il cablaggio e l’elettronica sono a posto e il sistema di gestione della batteria funziona correttamente come gli altri sottocomponenti allora il gioco è fatto. Dopo aver applicato gli adesivi e i tag ID le batterie sono pronte per il trasporto. “È un percorso lungo e complesso dalla polvere all’accumulatore di energia pronto. Sappiamo come deve essere gestita la movimentazione nell’ambito dei singoli processi e quindi sviluppiamo soluzioni personalizzate per i nostri clienti”, conclude il Dott. Fiedler.