Marposs-Lösungen für Inline Messung & Qualitätskontrolle für R2R-Prozesse

Batterie - eine Erfindung aus der Vergangenheit...

Die Batterie - vor mehr als 200 Jahren erfunden - und nun wichtiger als je zuvor.

Die erste moderne Batterie, wie wir sie kennen, hat der italienische Physiker Alessandro Volta im 18. Jahrhundert erfunden. Batterien, und insbesondere Lithium-Ionen-Batterien (LIB), haben schon immer eine Schlüsselrolle beim Aufnehmen und Speichern von Energie gespielt.

Heutzutage profitieren Li-Ionen-Technologien von massiven Investitionen in Forschung und Massenfertigung für elektronische Konsumgüter und Elektrofahrzeuge (E-Mobilität).

... Eine Schlüsseltechnologie der Zukunft

Weltweit besteht ein breiter Konsens darüber, dass der Klimawandel dringende und intensivere Maßnahmen erfordert. LIB können zu einer nachhaltigen Entwicklung und Abschwächung des Klimawandels über die nächsten zehn Jahre beitragen. Batterien als Schlüsseltechnologie haben ein enormes Potential, um die Ziele des Pariser Abkommens zur Reduzierung der Treibhausgasemission zu erreichen.

Mithilfe von billigeren Technologien könnte der Übergang zu erneuerbaren Energiequellen beschleunigt werden. In diesem Sinne wird durch die steigende Popularität von E-Fahrzeugen die Nachfrage nach LIB in den nächsten Jahren stark anwachsen. Bis 2030 wird weltweit der Umfang an hochqualitativen Produktionsausrüstungen zur Schaffung zahlreicher Gigafabriken jährlich um mehr als 30% zunehmen.

Innerhalb der kostenintensiven Produktionskette von LIB stellt die Herstellung von Elektrodenfolie (Kathode und Anode) mit dem ‚Rolle-zu-Rolle-Verfahren‘ (R2R) den wichtigsten Fertigungsschritt dar. Hier könnte ein höheres Fertigungstempo in den Linien dabei helfen, Abfall zu vermeiden, Kosten zu reduzieren und die Klimaziele zu erreichen.

Marposs: Inline-Messung, Prüfung und Qualitätskontrolle im LIB-Fertigungsprozess

Bei der Elektrodenfertigung sind die Herausforderungen in jedem Prozessabschnitt verschieden. Zunächst wollen wir die Hauptabläufe bei der Elektrodenfertigung betrachten, und dann sehen, wo Marposs da mit seinen Systemen zur Inline-Messung, Prüfung und Qualitätskontrolle hineinpasst.

Messung von Elektrodenbeschichtung und -trocknung: Chromatisch-konfokale Messgeber

Zur Ausbildung der Elektrode werden die Bestandteile (Metallfolie und Beschichtungspaste) mit einer Flüssigkeit gemischt und im Rolle-zu-Rolle-Verfahren als flüssige Folie auf das Metallsubstrat aufgetragen. Die Metallfolie ist so dünn wie möglich: nur 20 µm (Aluminium) für die Kathode und weniger als 10 µm (Kupfer) für die Anode. Die Beschichtungsdicke auf der Elektrodenoberfläche wird bestimmt durch die Anforderungen der daraus herzustellenden LIB-Zelle.

Energieintensive Anwendungen erfordern dickere Folien für eine höhere spezifische Kapazität. Die trockene Elektrode hat dann normalerweise eine Dicke von 30 - 200 µm. In den LIB-Fertigungslinien folgt das Trocknen direkt nach dem Beschichten.

In diesen Fertigungsstufen müssen Homogenität (keine metallisch blanken Flächen) und Gleichmäßigkeit (kontinuierliche Dicke) der beschichteten Elektrode kontrolliert werden. Auch dann, wenn die Oberfläche keine Defekte oder Verunreinigungen aufweist und die Kantengeometrie der Beschichtung sauber ist. Die chromatisch-konfokale Technik ermöglicht eine Inline-Kontrolle der Beschichtungsdicke und der Kantengeometrie mit hoher Genauigkeit und häufiger Abtastung.

Marposs kann zusammen mit seinem verbundenen Unternehmen STIL einen breiten Fächer an Hochleistungsoptik anbieten. STIL als Erfinder der chromatisch-konfokalen Bildgebung hat über 30 Jahre Erfahrung in dieser führenden Technologie für kontaktlose Sensoren. STIL hat auf der Basis dieser innovativen Technologie zwei Sensorfamilien entwickelt: Punktsensoren (Messbereich von 0,1 mm bis 100 mm) und Liniensensoren (1,35 mm bis 4 mm Linienlänge mit verschiedenen Messbereichen).

Messung und Kontrolle des Elektroden-Kalanderns: Konfokale Technik

Die Kathoden- und Anoden-Elektroden verlassen den Trockenofen und werden anschließend kalandert, womit die Energiedichte erhöht wird. Beim Kalandern läuft der Elektrodenwickel durch eine Rollenpresse, wodurch das aktive Material verdichtet und Foliendicke und Porosität verringert werden. Das Hauptziel besteht in der Verkleinerung des Elektrodenvolumens, um die Volumendichte zu erhöhen und die Oberfläche abzuflachen.

Bei einer zu starken Komprimierung der Elektrode könnte die Porosität so stark reduziert werden, dass der Elektrolyt nicht mehr hindurch dringen kann. Die Ansprüche an die Qualitätskontrolle sind hier ähnlich wie beim vorhergehenden Prozessschritt Beschichten. Dickenabweichungen bei der fertigen Elektrode sind sorgfältig zu kontrollieren. Es hat aber auch eine Kontrolle auf Defekte, wie abtropfendes Beschichtungsmaterial und Randblasen, als Folge einer Nichthomogenität während der Beschichtung, zu erfolgen.

Auch hier bietet die konfokale Technik von STIL/MARPOSS wieder die optimale Lösung für Geometriemessung und -kontrolle in diesem kritischen Prozessschritt.

Elektroden schneiden: Laser-Mikrometer

Das Schneiden ist ein Trennprozess, in dem der breite Elektrodenwickel (Mutterwickel) in mehrere kleinere Elektrodenwickel (Tochterwickel) zertrennt wird.

Die im Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellten Rohelektroden können bis zu 2000 m lang und über 1000 mm breit sein. Die Anforderungen an diesen Prozess sind unterschiedlich, weil die Elektroden aufgrund des sehr aggressiven Kathodenmaterials durch Keramikmesser getrennt werden.

In diesem Prozessschritt helfen die Geometriemessdaten dabei, Fehler bei der Messerposition oder der abzuschneidenden Elektrode zu erkennen. Die Schnittqualität an den Elektrodenkanten und die Sauberkeit der Wickel werden als wichtigstes Qualitätskriterium angesehen. Die Schnittbreite kann bei den Tochterwickeln entsprechend dem Zellendesign variieren und liegt bei vielen Anwendungen zwischen 60 mm und 300 mm.

Von äußerster Wichtigkeit in diesem Schritt ist jedoch die Breitenüberwachung, um den hohen Abfallanteil bei der Elektrodenfertigung mithilfe von Qualitätsmessungen und Inline-Kontrolle, wie z.B. mit berührungsloser Technik, so klein wie möglich zu halten.

Für die Inline-Messung von schwierigem Material, das nicht mit herkömmlichen taktilen Messmethoden berührt und gemessen werden kann, bieten MARPOSS/AEROEL ihre eigenen Laserscanner-Mikrometer an.

AEROEL Laserscanner können, dank ihrer berührungslosen Messtechnik, schnell, genau und effizient in R2R-Industrieprozesse eingebunden werden. Auch bei der Fertigung von LIB-Elektroden sichert die Laseroptik konsistente, objektive und genaue Ergebnisse direkt im Werk. Dank unserer innovativen, durch Patent geschützten, technischen Lösungen können wir Qualitätskontrollsysteme herstellen, die unempfindlich auf Temperaturänderungen, Schwingungen, Wickelbewegung, Staub und andere Umweltbedingungen reagieren, die normalerweise die Messergebnisse in der Produktion beeinträchtigen würden.

Kontrolle der Elektroden beim Trennen (Notching): Machine Vision Anwendungen

Die Herstellung von Pouch-Zellen erfolgt durch Trennen (Notching), d.h., die Anoden-, Kathoden- und Separatorblätter werden vom Rollenmaterial (Tochterrollen) abgetrennt. Das Notching erfolgt normalerweise mit einem Trennmesser (Stanzwerkzeug) oder durch einen kontinuierlichen Laserschnitt.

Die wichtigsten in diesem Prozessschritt zu kontrollierenden Parameter sind: Gratqualität, Schnittkantengeometrie, Fremdmaterialteilchen und Verformung der Mikrostruktur der Elektrode.

Metallspäne im µ-Bereich könnten den empfindlichen Separator beschädigen und in der fertigen Zelle zu Kurzschluss führen. Defekte sind umso gefährlicher, wenn sie aus der Beschichtung heraustreten (als Folge von Strömen und elektrischen Feldern bzw. Kurzschlüssen). Demzufolge müssen Abweichungen in der Metallfolie (Aluminium bzw. Kupfer) unbedingt von der Nenn-Mittenposition der Elektrode her geprüft werden.

MARPOSS kann die Defektkontrolle mithilfe einer zum Patent angemeldeten Inline-Lösung für Machine Vision-Anwendungen lösen. Dieses System ist in der Lage, einen negativen Trend in der Qualität des Elektrodenprofils statistisch zu prüfen und zu verfolgen, indem Grat- und Faltenbildung sowie Delaminierung erkannt werden.

Das Machine Vision Qualitätskontrollsystem hat eine hochauflösende Zeilenkamera, die die Elektrodenkante erfasst und eine Reihe von Digitalbildern aufnimmt, die dann in der Analyse auf das mögliche Vorhandensein von Metallgrat geprüft werden. Das System enthält auch eine Matrixkamera, die eine Änderung im Abstand zwischen der Elektrodenkante und der Zeilenkamera detektiert. Die Verarbeitungseinheit (Controller) ist so konfiguriert, dass der Fokus der Zeilenkamera je nach Änderung im Abstand zwischen Elektrodenkante und Optik variiert werden kann.

Nach Beendigung der R2R-Prozessschritte sind die LIB-Elektroden bereit für die Zellenmontage mit folgenden Schritten: Stapeln, Verpacken, Füllen mit Elektrolyt und Versiegeln, mit anschließender Erstbeladung.

Bei der Verbesserung des LIB-Prozesses sind es hauptsächlich Innovationen in der Elektrodenfertigung und im Zellen-Finishing, die zur Produktionserhöhung beitragen.

MARPOSS kann zum Erreichen der LIB-Zellen-Montagequalität auch Kontroll- und Messlösungen für den Produktionsfluss anbieten, mit Technologien zur Überwachung von unterschiedlichen Parametern.

Die MARPOSS-GRUPPE mit ihrem breiten Spektrum an Technologien und Lösungen, hat das Ziel, eine führende Rolle in der Qualitäts- und Prozesskontrolle in der Welt der E-Mobilität zu spielen.

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