Anforderungen an die Sensorik und Prozessschritte erklärt
Absolute Präzision
Mit der zunehmenden Verbreitung batteriebetriebener Anwendungen wie Elektrofahrzeuge steigt auch die weltweite Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien. Bei der Herstellung werden Sensoren von Micro-Epsilon im gesamten Fertigungsprozess eingesetzt. Dort übernehmen sie verschiedene Messaufgaben zur Maschinenüberwachung, Dickenregelung und Qualitätssicherung.
 In allen wichtigen Prozessschritten der Batteriefertigung werden Sensoren von Micro-Epsilon eingesetzt, 
die verschiedene Messaufgaben zur Maschinenüberwachung, Dickenregelung und Qualitätssicherung lösen.
In allen wichtigen Prozessschritten der Batteriefertigung werden Sensoren von Micro-Epsilon eingesetzt, die verschiedene Messaufgaben zur Maschinenüberwachung, Dickenregelung und Qualitätssicherung lösen.Bild: Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Eine Lithium-Ionen-Zelle durchläuft bis zur Endmontage viele Stationen. Die Produktion lässt sich in drei Hauptprozessschritte untergliedern: die Elektrodenfertigung, die Zellassemblierung sowie Formation & Aging. In allen wichtigen Prozessschritten werden auch Sensoren von Micro-Epsilon eingesetzt, um verschiedene Messaufgaben zu lösen.

 Nach dem Einsetzen der Batteriepakete wird zwischen den Stegen automatisiert eine Wärmeleitpaste aufgebracht, die die Abwärme nach außen führt. Vor dem Auftragen muss das Volumen zwischen den Stegen bis zur Oberfläche der Batteriepakete ermittelt werden.
Nach dem Einsetzen der Batteriepakete wird zwischen den Stegen automatisiert eine Wärmeleitpaste aufgebracht, die die Abwärme nach außen führt. Vor dem Auftragen muss das Volumen zwischen den Stegen bis zur Oberfläche der Batteriepakete ermittelt werden. Bild: Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Beschichtung, Trocknen und Kalandrieren

Im Beschichtungsprozess wird die Folie entweder kontinuierlich oder intermittierend und auf einer Breite von bis zu 1.000mm beschichtet. Wichtig sind dabei die Folien und die Beschichtungsdicke, die Oberflächenqualität, die Reinheit und ein Vermeiden von Gaseinschlüssen. Um die Nassschicht-Dicke des Anoden- und Kathodenmaterials zu überwachen, empfiehlt sich der Einsatz des ThicknessGauge, einem Inline-Messsystem bestehend aus einer Lineareinheit mit elektromechanischem Antrieb, zwei konfokal-chromatischen Abstandssenosren, einer automatischen Kalibriereinheit und einem multitouch-fähigen Panel-IPC. Die konfokalen Sensoren messen im Differenzverfahren von zwei Seiten auf die Materialoberfläche. Aus dem bekannten Abstand der beiden Sensoren sowie den Abstandswerten wird die Materialdicke errechnet. Die hohe Präzision von ±0,25µm und die Messrate von bis zu 5kHz ermöglichen eine vollautomatisierte Dickenmessung.

Im Anschluss an den Beschichtungsprozess durchläuft die beschichtete Aluminium- bzw. Kupferfolie den Trocknungsprozess. Die Trocknungsgeschwindigkeit liegt bei bis zu 100m/min bei 80 bis 160°C. Nach dem Trocknungsvorgang des Anoden- und Kathodenmaterials ist eine Dickenprüfung notwendig, die der Qualitätssicherung dient. Die geforderte Genauigkeit liegt bei 1µm bei einer Messobjektdicke von 75 bis 400µm. Für diese Messaufgabe sind konfokal chromatische sowie kapazitive Sensoren besonders geeignet.

Batteriezellenmaterialien, wie Elektrodenfolien für Lithium-Ionen Batterien, werden mithilfe der Kalandertechnik verdichtet. Zwei verstellbare Walzen sorgen dafür, dass das Materialgemisch auf die vorgegebene Dicke gewalzt wird. Für gleichbleibende Qualität muss der Walzenspalt durchgehend und mikrometergenau überwacht werden. Kapazitive Sensoren der Reihe CapaNCDT stellen die Einhaltung der niedrigen Toleranzen sicher. Eine mobile Lösung ist das Zweikanal-Handmessgerät capaNCDT MD6-22, das zur Spaltmessung auf allen leitenden Objekten eingesetzt werden kann. Das kapazitive Handmessgerät ist handlich und per Touch-Screen bedienbar. Werksseitig sind zudem verschiedene Funktionen vorprogrammiert wie die automatische Spaltdetektion, die die parallele Ausrichtung von zweiseitig messenden Flachsensoren vereinfacht.

 Für gleichbleibende Qualität muss der Walzenspalt durchgehend und mikrometergenau überwacht werden.
Für gleichbleibende Qualität muss der Walzenspalt durchgehend und mikrometergenau überwacht werden.Bild: Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Schneiden, Zell-Assemblierung und Formatierung

In diesem Fertigungsschritt wird ein beschichtetes Muttercoil in mehrere Tochtercoils geschnitten. Dies erfolgt entweder per Laser-Schnitt oder mit einem rotierenden Messer. Nach dem Längsschneiden treten häufig Krümmungen und Verformungen an der Folie auf. Saubere Schnittkanten sind allerdings entscheidend für eine hohe Qualität. Daher muss die Kantenkrümmung überprüft werden, weshalb das Kantenprofil in Mikrometergenauigkeit gemessen wird. Hierbei kommen ScanControl Laser-Profilscanner zum Einsatz. Diese werden über der Folienkante platziert und erfassen kontinuierlich das Profil. Dank der extrem hohen Auflösung und der Unempfindlichkeit bei spiegelnden Oberflächen liefern die Sensoren stabile Messergebnisse und hochgenaue 2D-Profile, aus denen auch 3D Punktewolken generiert werden können. Die kompakten Sensoren können zudem auch in beengte Bauräume integriert werden.

Nach dem Einsetzen der Batteriepakete wird zwischen den Stegen automatisiert eine Wärmeleitpaste aufgebracht, die die Abwärme nach außen führt. Vor dem Auftragen muss das Volumen zwischen den Stegen bis zur Oberfläche der Batteriepakete ermittelt werden. Im Anschluss soll das Volumen der aufgebrachten Paste gemessen und in ein Verhältnis zum Volumen im leeren Zustand gebracht werden. Idealerweise liegt das Volumen der Paste geringfügig über dem Volumen im leeren Zustand. Laser-Scanner übernehmen diese Aufgabe. Der Scanner ist am Dispenser befestigt und regelt die Auftragsmenge sowie den Abstand des Dispensers.

Wird die Batterie die ersten Male be- und entladen, so passiert dies in der sogenannten Formierung. Insbesondere bei der Erstaufladung ist die Temperaturentwicklung ein entscheidender Parameter und wird daher mit Wärmebildkameras überwacht. Diese geben Aufschluss über die Temperaturverteilung und Hinweise über mögliche Kurzschlüsse. Die Wärmebildkamera ThermoImager TIM ist für die hohen Ansprüche industrieller Serienapplikationen konzipiert. Die Scharfstellung der Optik erfolgt über den integrierten Motorfokus, wodurch auch kleine Messbereiche aufgelöst werden können. Bis zu drei Messfelder können gleichzeitig fokussiert und kontinuierlich überwacht werden. Über den integrierten Motorfokus kann eine Scharfstellung aus der Ferne erfolgen. Die Messwerte können an eine Steuerung ausgegeben werden, dadurch lassen sich bei Grenzwertüberschreitung weitere Schritte wie Alarm, Kühlung oder Abschaltung ausführen. Die Inbetriebnahme erfolgt über die im Lieferumfang enthaltene Software TIM Connect. Eine Messwertausgabe ist per Ethernet oder Prozessinterface (4-20mA) möglich. Für den Betrieb ist im autonomen Modus kein zusätzlicher PC notwendig.

Fazit

Das breite Produktspektrum des Herstellers, welches auf unterschiedlichen Messprinzipen basiert, lässt sich für die Produktionsprozesse in der anspruchsvollen Batterieproduktion einsetzen. Die hochpräzisen Sensoren messen zuverlässig Weg, Abstand, Position, Neigung, Beschleunigung, Farbe und Temperatur oder realisieren die robotergestützte 3D-Inspektion von matten und glänzenden Oberflächen durch Hightech-Inspektionssysteme.

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Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

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