Pouch-Zellen sind eine beliebte Wahl bei Batterieherstellern. Das liegt daran, dass die Zelle hoch effizient ist und eine Verpackungseffizienz von 90–95 % erreicht, eine der höchsten unter den Batteriepaketen. Diese Zellen werden oft zur Herstellung von Batterien für Elektrofahrzeuge (EVs) verwendet, können aber auch in Unterhaltungselektronik wie Mobiltelefonen und Tablets oder in kleinen Geräten wie Drohnen eingesetzt werden. Pouch-Zellen unterscheiden sich von zylindrischen oder prismatischen Zellen durch ihr flexibles und leichtes Design. Dies ermöglicht eine höhere Energiedichte und eine bessere Raumausnutzung als bei zylindrischen Zellen.
Die Montage und Prüfung von Pouch-Zellen stellt jedoch eigene Herausforderungen dar, von der empfindlichen, flexiblen Struktur der Zellen bis hin zu ihrer Empfindlichkeit gegenüber hohen Temperaturen. Durch sorgfältige Handhabung, frühe Validierung, präzises Schweißen und Qualitätskontrollen können Batteriefabrikanten die Leistung ihrer Produkte jetzt und in Zukunft sicherstellen.
Häufige Herausforderungen bei der Montage und Prüfung von Pouch-Batterien
Der Zusammenbau von Beutelbatterien stellt mehrere einzigartige Herausforderungen dar, die eine sorgfältige Handhabung und spezielle Verfahren erfordern, um ihre Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Zu diesen Herausforderungen gehören:
- Zerbrechlichkeit: Pouch-Zellen sind empfindlich und besitzen nicht die dimensionale Stabilität von zylindrischen oder prismatischen Zellen. Diese geschichteten Batterien, die in Folie eingeschlossen sind – die weniger robust ist als die starren Gehäuse, die in zylindrischen und prismatischen Zellen verwendet werden – sind im Vergleich anfälliger für Schäden während der Handhabung und Montage.
- Materialhandling: Besondere Überlegungen sind beim Materialhandling notwendig, um Schäden zu vermeiden. Oft wird Vakuumhandling verwendet, um Pouch-Zellen zu manipulieren und um eine Verformung der Folienschweißnaht oder Belastung der Tabs zu vermeiden.
- Laschenhandling: Die Schnittstelle zwischen der Lasche und den Zellinnenteilen ist ebenfalls fragil. Hersteller müssen beim Biegen oder Formen der Laschen vorsichtig sein, um Schäden oder Belastungen zu vermeiden.
- Kompression: Während des Kompressionsprozesses werden die Zellen einem kontrollierten Druck ausgesetzt, damit sie flach und gleichmäßig bleiben. Dies ist entscheidend für die Leistung und Langlebigkeit der Batterien, da es hilft, Luftspalte oder Unregelmäßigkeiten innerhalb der Zellschichten zu beseitigen, die die Effizienz und Stabilität der Zellen beeinträchtigen könnten.
- Schweißen und Verbinden: Stabile elektrische Schweißverbindungen sind entscheidend. Allerdings kann die Stelle, an der die Schweißung erfolgen muss, empfindlich sein. Bei zu viel Schweißleistung werden die dünnen Pouch-Zell-Laschen schnell durchdrungen und möglicherweise das Substratmaterial beschädigt. Bei zu wenig Leistung formt sich die Verbindung nicht korrekt. Dieser Prozess erfordert Präzision und Tests, um die Unversehrtheit der Zelle nicht zu gefährden.
Schritte und Überlegungen zur Montage von Pouch-Batterien
Validierung für eingehende Pouch-Zellen
Der erste Schritt bei der Pouch-Montage ist die Validierung eingehender Zellen. Dieser Schritt gewährleistet die Qualität und Zuverlässigkeit der Zellen, bevor sie in weitere Montagephasen übergehen. Die Zellvalidierung umfasst eine Reihe von Inspektionen und Tests, um zu überprüfen, ob die Zellen die erforderlichen Spezifikationen und Standards erfüllen.
Kritische Aspekte der Validierung eingehender Zellen umfassen:
- Überprüfung auf physische Defekte.
- Messung der Zellengröße.
- Durchführung elektrischer Tests zur Beurteilung der Kapazität, Spannung und des Innenwiderstands der Zelle.
Durch die Validierung eingehender Zellen können Batteriehersteller Probleme frühzeitig erkennen und beheben. Dies kann das Risiko von Defekten in nachfolgenden Prozessen verringern und die Gesamtleistung und Sicherheit des endgültigen Batteriepacks verbessern.
Zuschneiden und Formen der Pouch-Zell-Laschen
Das Zuschneiden und Formen der Laschen ist entscheidend, damit die Laschen im weiteren Verlauf die erforderlichen Parameter für den Erfolg erfüllen. Wenn dieser kritische Prozess nicht ordnungsgemäß ausgeführt wird, erhöht sich das Risiko eines thermischen Durchgehens erheblich. Schlechte elektrische Verbindungen oder physische Schäden während der letzten Schritte der Laschenmontage sind allesamt vorhandene Risiken, die erheblichen Sicherheitsbedenken mit sich bringen.
In diesem Prozess werden die Laschen, die aus der Pouch-Zelle ragen, sorgfältig auf die erforderliche Länge und Form zugeschnitten.
Dann folgt der Formungsschritt, bei dem die Laschen gebogen oder geformt werden, um den spezifischen Designanforderungen der Batterie gerecht zu werden. Präzision ist in dieser Phase entscheidend, um Schäden an der empfindlichen Schnittstelle zwischen der Lasche und dem Zellinneren zu vermeiden. Richtiges Zuschneiden und Formen der Laschen gewährleistet zudem die Leistung und Zuverlässigkeit der Zelle, stabilisiert elektrische Verbindungen und minimiert das Risiko mechanischer Belastungen oder Schäden.
Sequenzieren und Stapeln von Pouch-Zellen
Ein weiterer wesentlicher Schritt ist das Sequenzieren und Stapeln. Dies ist besonders wichtig, wenn Zellen erforderlich sind, wie z. B. bei Elektrofahrzeugen. Beim Sequenzieren werden die Zellen in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet, um Leistung und Ausgleich im Batteriepack zu optimieren.
Das Stapeln beinhaltet das sorgfältige Ausrichten und Schichten der Zellen, um ein kohärentes Batteriepack zu bilden. Präzises Stapeln mindert Fehlstellungen und sichert korrekte Zellverbindungen.
Die Bedeutung von Teilematrizen während der Batteriemontage
Die Verwaltung des Teilebestands während der Sequenzierung und Stapelung der Zellen stellt mehrere Herausforderungen dar, die die Effizienz der Batteriemontage beeinträchtigen können. Eine zentrale Herausforderung besteht darin, dass jederzeit die richtige Zellform verfügbar ist, die in die erforderliche Position des Batteriestapels passt. Dies erfordert eine präzise Bestandsverfolgung und -verwaltung, um Produktionsverzögerungen zu vermeiden, während eine bestimmte Produktrezeptur in der Produktionslinie gefertigt wird und nachgelagerte Prozesse warten. Wenn dies vernachlässigt wird, kann es zu Engpässen oder erhöhten Kosten für Batteriehersteller führen.
Auch die Variabilität bei Zellabmessungen und -spezifikationen kann den Sequenzierungs- und Stapelprozess verkomplizieren. Das liegt daran, dass jede Zelle sorgfältig angepasst und ausgerichtet werden muss, um die Leistung zu optimieren. Es ist auch entscheidend, die Zellen ordnungsgemäß zu handhaben und zu lagern, um Schäden zu vermeiden. Effektives Bestandsmanagement rationalisiert den Sequenzierungs- und Stapelprozess und verbessert die Produktion von hochwertigen Batterien.
Kompression von Pouch-Zellen
Die Kompression bewahrt die Form und Unversehrtheit von Pouch-Zellen. Während dieses Schrittes werden die Zellen einem kontrollierten Druck ausgesetzt, um sicherzustellen, dass sie flach und gleichmäßig bleiben. Häufig wird zwischen den Zellen eine Klebe- und Kompressionsabsorptionsschicht aufgebracht, um sie an Ort und Stelle zu sichern und die richtige Ausrichtung während des Kompressionsprozesses zu gewährleisten.
Um jedoch Schäden an den Zellen zu vermeiden, müssen Hersteller während der Kompression die Variablen wie der angewendete Druck und die Dauer des Prozesses sorgfältig handhaben. Richtige Kompressionstechniken stellen sicher, dass die Pouch-Zellen die erforderlichen Standards erfüllen.
Montage von Pouch-Zell-Sammelschienen und Laschenformung
In der Modulphase beinhaltet das Herstellen elektrischer Verbindungen für Pouch-Zellen die Nutzung von Sammelschienen, um stabile und zuverlässige Verbindungen zwischen den Zellen zu schaffen. Dieser Prozess stellt sicher, dass die Zellen als Einheit funktionieren. Serienverbinder verbinden mehrere Zellen miteinander, um die gewünschte Spannung des Batteriemoduls zu erhalten.
Schweißen von Pouch-Zell-Sammelschienen
Sammelschienen werden typischerweise an die Laschen der Pouch-Zellen geschweißt oder geklebt, um eine sichere und stabile elektrische Verbindung zu gewährleisten. Während der Sammelschienenmontage werden die Laschen der Pouch-Zellen sorgfältig gebogen oder geformt, um den spezifischen Designanforderungen des Batteriepakets gerecht zu werden. Eine korrekte Ausrichtung und sichere Verbindung der Sammelschienen minimiert das Risiko von mechanischen Belastungen oder Beschädigungen und gewährleistet Leistung und Zuverlässigkeit.
Präzision beim Schweißen hilft Batterieherstellern auch, die Unversehrtheit der Zellen und langlebige Verbindungen zu gewährleisten. Der Schweißprozess muss sorgfältig gesteuert werden, um Schäden an der empfindlichen Schnittstelle zwischen der Lasche und dem Zellinneren zu vermeiden.
Überlegungen zur Verteilung von Wärmeleitmaterial und zu Kühlplatten
Das Management der von den Pouch-Zellen während des Betriebs erzeugten Wärme erhöht die Langlebigkeit der Batterie. Das Auftragen von Wärmeleitmaterial (TIM) und Kühlplatten ist eine gängige Lösung. Wärmeleitmaterial zwischen den Zellen und Kühlplatten verbessert die Wärmeleitfähigkeit und Wärmeableitung. Eine ordnungsgemäße Verteilung sorgt für gleichmäßige Abdeckung und verhindert Luftspalten, die zu Hotspots und Leistungsabfall führen können.
Kühlplatten, die häufig aus Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen, sorgen für eine gleichmäßige Wärmeverteilung über die Pouch-Zellen. Die Hersteller müssen diese Kühlplatten sorgfältig entwerfen und platzieren, damit sie die thermische Belastung effektiv bewältigen, ohne das Batteriemodul durch übermäßiges Gewicht oder Volumen zu belasten.
Qualitätsprüfungen der Batteriemontage und Batteriepackmontage
Die letzte Phase der Pouch-Montage umfasst eine Reihe von strengen Prüfungen und Tests, um sicherzustellen, dass die Module den erforderlichen Spezifikationen und Standards entsprechen, bevor sie zur weiteren Qualitätsprüfung in das Pack eingebracht werden.
Zu den wichtigsten Aspekten dieser Qualitätsprüfungen gehören:
- Sichtprüfungen auf physische Defekte.
- Gründliche Prüfungen der Schweißnahtqualität.
- Elektrische Prüfungen zur Bewertung der Kapazität.
- Spannung und Innenwiderstand.
- Thermische Bewertungen, um ein ordnungsgemäßes Wärmemanagement sicherzustellen.
Durch gründliche Qualitätskontrollen können Batteriehersteller Probleme angehen, bevor die Batterien eingesetzt werden, und so die Sicherheit und Effizienz des Endprodukts gewährleisten. Oftmals verfügen Batterie-Fertigungslinien über sowohl prozessinterne (Inline-) als auch am Prozessende stattfindende (End-of-Line-)Tests. Inline-Tests helfen, Ausschussteile zu reduzieren und Prozessschritte zu identifizieren, die verbessert werden müssen. End-of-Line-Tests konzentrieren sich darauf, dass nur Batterien bester Qualität im Endprodukt verwendet werden.
Beschickung der Pouch-Montage- und Testlinien
Die Montage und Prüfung von Pouch-Zellen sind komplexe Prozesse, die genaue Aufmerksamkeit für Details und präzise Handhabung erfordern. Von der Validierung der eingehenden Zellen bis zu den abschließenden Qualitätsprüfungen spielt jeder Schritt eine entscheidende Rolle bei der Sicherstellung der Zuverlässigkeit und Leistung der Batterie.
Durch die Zusammenarbeit mit einem Automatisierungspartner, der die Herausforderungen und Überlegungen bei der Montage und Prüfung von Batterien unter Verwendung von Pouch-Zellen versteht, können Batteriehersteller ihre Prozesse frühzeitig optimieren und höherwertige Batterien produzieren, die den Anforderungen schnell fortschreitender Technologien gerecht werden.
Jedes Batterieprojekt ist einzigartig. Wir möchten uns Ihre Herausforderungen anhören und Ihnen mitteilen, wie Sie Ihr Projekt durch Automatisierung rechtzeitig auf den Weg bringen können.
Cameron Bruce
Direktor für Ingenieurwesen
ATS Industrial Automation
Cameron arbeitet mit Kunden zusammen, um durch Entwicklung und Optimierung von Automatisierungssystemen die Produktion zu erweitern und die Betriebseffizienz zu steigern. Cameron hilft seit über 15 Jahren Unternehmen aus zahlreichen Branchen dabei, die Produktion zu automatisieren und zu optimieren.
