Die Batterieherstellung erfolgt teilweise unter Vakuum. Welche Besonderheiten gelten für Kupplungen bei Prozessschritten wie Elektrodenbeschichtung, Elektrodentrocknung und Vakuumversiegelung?
Batterien sind zu einer unverzichtbaren Energiequelle geworden. Ohne sie wäre unser Alltag ein anderer. Eine Vielfalt von Anwendungen macht diese Technologie zu einer der dynamischsten und am schnellsten wachsenden in der heutigen Zeit. In der Batterieherstellung, insbesondere bei der Fertigung von Hochleistungsbatterien wie Lithium-Ionen-Batterien, sind Präzision, Zuverlässigkeit und Reinheit von entscheidender Bedeutung. Kupplungen spielen dabei eine wichtige Rolle.
Die Batterien werden teilweise unter Vakuum gefertigt, denn Feuchtigkeit und Sauerstoff können die Qualität beeinträchtigen. In diesen sensiblen Produktionsphasen sollten die eingesetzten Kupplungen eine Reihe von Voraussetzungen erfüllen. Es bieten sich Kupplungen in geschweißter Ausführung an, die für Vakuumbereiche konzipiert wurden. Das Laserschweißen bietet eine hohe Präzision und Kontrolle über den Schweißprozess. Der Laserstrahl kann sehr fein fokussiert werden, was die Wärmeeinflusszone minimiert.
Häufig handelt es sich hierbei um Balgkupplungen oder Gelenkwellen. Aufgrund der zu übertragenden Drehmomente, speziell im Batterieherstellungsprozess, werden Miniaturbalgkupplungen eher weniger eingesetzt, obwohl diese den Anforderungen ebenfalls gerecht werden. In einigen Fällen werden die eingesetzten Kupplungen gezielt mit Druckausgleichsbohrungen versehen. Die Stelle der Bohrung wird zuvor berechnet und individuell für die Anlage ausgelegt. Wichtig ist auch, dass der Hersteller vakuumkonform beschichtete Schrauben verwendet hat.
Elektrodenbeschichtung
In der Elektrodenbeschichtung werden aktive Materialien auf die Elektrodenfolien aufgetragen. Um eine gleichmäßige Schichtdicke und eine hohe Beschichtungsqualität zu gewährleisten, werden Kupplungen, beispielsweise Gelenkwellen, eingesetzt. Sie dienen zur Überbrückung großer Distanzen zwischen Antriebs- und Abtriebswelle. Gelenkwellen können je nach Hersteller mehrere Meter ohne Zwischenlagerung überbrücken. Dies ermöglicht eine synchrone Steuerung mehrerer Rollen über nur einen Motor. Konstrukteurinnen und Konstrukteure nutzen diese Komponente, um ihre Maschinen und Anlagen so zu planen, dass alle Achsen synchron betrieben werden und nur ein Antrieb benötigt wird. Diese Komponente ist auf dem Markt in geschweißter Ausführung erhältlich, sodass der Einsatz in einer Vakuumumgebung kein Problem darstellt.
Eine ideal für diesen Prozess geeignete Kupplung sollte eine hohe Torsionssteifigkeit aufweisen und in der Lage sein, axiale, laterale und angulare Fehlausrichtungen zwischen den Antriebseinheiten und den Beschichtungsrollen auszugleichen ohne signifikante Rückstellkräfte zu erzeugen. Vorteilhaft sind Gelenkwelle mit möglichst geringem Verdrehwinkel, die radial montiert und demontiert werden: dann muss die ausgerichtete Maschine dafür nicht bewegt werden.
Trocknungsprozesse
In den Trocknungsanlagen werden beschichtete Elektroden unter hohen Temperaturen behandelt, um die Lösungsmittel vollständig zu entfernen, ohne die empfindlichen Materialien zu beschädigen. In diesem Prozessschritt können spezielle Metallbalgkupplungen eingesetzt werden. Hier sollten ebenfalls geschweißte Varianten eingesetzt werden, die den hohen Temperaturen standhalten. Von der Fertigungsgenauigkeit hängt hier die Rundlaufgenauigkeit und letztlich die Qualität der Elektroden ab. Bei der Anlagenentwicklung sollte darauf geachtet werden, langlebige und wartungsarme Kupplungen auszuwählen, um die Zuverlässigkeit der Anlage zu erhöhen.
Vakuumversiegelung
Nach der Fertigstellung der Elektroden und dem Zusammenbau der Batteriezellen ist der nächste Schritt die Vakuumversiegelung. Dieser Prozess ist kritisch für die Langlebigkeit und Sicherheit der Batterien. Die Kupplungen in den Versiegelungsanlagen müssen ebenfalls eine präzise Bewegungsübertragung gewährleisten, um eine einwandfreie Versiegelung zu garantieren. Die Versiegelungswerkzeuge arbeiten unter Vakuumbedienungen, um die Batteriezelle luftdicht zu verschließen. Dieser Prozess wird über Kupplungen gesteuert. Auch hier sind geschweißte Metallbalgkupplungen geeignet, beispielsweise die BKC-Kupplung von R+W mit einem Drehmomentbereich von 15 bis 500 Nm. Das Laserschweißverfahren ist essenziell, um unter Vakuumbedingungen keine Kontamination durch Lufteinschlüsse zu riskieren. Von Vorteil ist es, wenn die Nabenkonstruktion der Kupplung für die Integration in Vakuumversiegelungsanlagen ausgelegt ist. Hier lohnt es sich, bei der Bauteilwahl genau hinzusehen: Einige Modelle bieten bei kürzerer Bauform die gleiche Drehmomentübertragung wie längere Modelle. Ein kurze Baulänge und geringer Einbauraum vereinfacht die Integration in bestehende Anlagenkonfigurationen. Demontagesysteme erleichtern die Wartung und Austauschbarkeit, was Stillstandszeiten reduziert. Die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien stellt komplexe Anforderungen an die Präzision und Zuverlässigkeit mechanischer Komponenten in den Anlagen. In der Elektrodenbeschichtung, Trocknungsprozess und Vakuumversiegelung, aber auch anderen Bereichen der Batteriefertigung, können maßgeschneiderte mechanische Lösungen die Effizienz und Qualität der Prozesse verbessern.