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1-2022

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Fachzeitschrift für Elektronik-Produktion - Fertigungstechnik, Materialien und Qualitätsmanagement

Qualitätssicherung

Qualitätssicherung Qualitätssicherung in der Batterieproduktion Inline-Prüftechnik von Lithium-Ionen-Batterien OptiSense goes Battery Vor über zwanzig Jahren ging OptiSense als Spin Off des Fraunhofer Instituts an den Start. Heute gilt der Hersteller aus Haltern als Marktführer miniaturisierter Messlösungen, deren Qualität und Technologie als “Designed and Made in Germany” sprichwörtlich ist. Das gilt auch für die Messung an Lithium- Ionen-Batteriezellen. In diesem Whitepaper wird gezeigt, das mithilfe der von OptiSense entwickelten, speziellen Prüftechnik ein fotothermisches “Frühwarnsystem” entsteht, mit dem sich Ausschuss reduzieren und die Batterieherstellung kontinuierlich verbessern lassen. OptiSense info@optisense.com www.optisense.com Damit eine Lithium-Ionen- Batterie wettbewerbsfähig ist, muss sie kostengünstig hergestellt werden, eine hohe Energiedichte aufweisen und möglichst lange halten. Bei der Fertigung von Batteriezellen in millionenfacher Stückzahl ist eine hohe Qualität enorm wichtig, denn eine fehlerbehaftete Produktion kann im Extremfall zu Selbstzerstörung und Brand der Batterie führen. Vor allem muss die Batterie also sicher sein. Produktionsintegrierte Prüfsysteme - idealerweise gekoppelt mit intelligenten Datenkonzepten - werden dabei mehr und mehr zu einem zentralen Element für eine effektive Qualitätssicherung und der damit einhergehenden erhöhten Wirtschaftlichkeit in der Batterieproduktion. Einen wichtigen Beitrag zu den Aspekten Kostensenkung, Ressourcenschonung und Sicherheit für die Lithium-Ionen-Batterien kann hier die photothermische Schichtdickenmessung leisten, wie sie von OptiSense angeboten wird. Leistungsfähige und kostengünstige Energiespeicher als Schlüsselkomponente im Wettbewerb Die Produktion von Lithium-Ionen- Zellen steht vor großen Herausforderungen. Eine rapide steigende Nachfrage bei gleichzeitig wachsenden Anforderungen an Qualität und geringe Preise setzen Zellhersteller weltweit unter Druck. Daher gilt es, die Prozesseffizienz und -stabilität kontinuierlich zu erhöhen, sowie die Wettbewerbsfähigkeit und Nachhaltigkeit über die nächsten Jahre hinweg weiter abzusichern. Um diese Ziele zu erreichen, sind bestehende Ansätze jedoch nicht länger ausreichend. Für die zukünftige Verbreitung von Lithium-Ionen- Batterien zur mobilen oder stationären Energiespeicherung gilt es, die Fertigungskosten der Batteriezellen weiter zu senken. Für eine wirtschaftliche Herstellung sind deshalb weniger Produktionsfehler und die damit verbundenen geringen Ausschussraten eine zentrale Stellschraube. Ausschussraten als zentrale Stellschraube Um die bestmögliche Qualität in der Batterieproduktion sicherzustellen, sollten Mängel bereits früh im Fertigungsprozess - also noch vor der Weiterverarbeitung - detektiert werden. Bisher werden Batterien fast ausschließlich am Ende der Wertschöpfung im sogenannten Endof-Line-Test auf funktionelle Fehler geprüft. Marktreife Prüfverfahren für diese anspruchsvollen Aufgaben sind kaum existent, da traditionelle Messverfahren, wie z.B. mit Wirbelstromsensoren durch den direkten mechanischen Kontakt den Prozessfluss beeinträchtigten würden. Mit der von OptiSense entwickelten photothermischen Messtechnik erhalten Hersteller von Lithium- Ionen-Batterien nun ein „Frühwarnsystem“ an die Hand, dass Batteriekomponenten bereits im Produktionsprozess prüfen kann. Photothermisches Prüfverfahren für die Zellfertigung Um Produktionsfehler bei den verschiedenen Zellformaten frühzeitig 14 1/2022

Qualitätssicherung Die speziell entwickelte photothermische Inline-Prüftechnik optimiert die Qualität der Batterieherstellung kontinuierlich: vom Slurryauftrag über die Coil-Prüfung (li) bis zur Messung der funktionsrelevanten Lackschichtdicke auf dem Gehäuse der Batterie zu erkennen, entwickelte der deutsche Hersteller OptiSense ein Prüfsystem, das im Wesentlichen auf Photothermie zurückgreift, um die Dicke von Beschichtungen – hier Elektroden und Isolation der Batteriezelle – berührungslos und zerstörungsfrei zu ermitteln. Dabei werden die unterschiedlichen thermischen Eigenschaften von Beschichtung und Untergrund genutzt, um die absolute Schichtdicke zu bestimmen. Die Oberfläche der Beschichtung wird mit einem kurzen, intensiven Lichtimpuls um einige Grad aufgeheizt und kühlt anschließend durch Ableitung der Wärme in tiefere Bereiche wieder ab. Dabei sinkt die Temperatur umso schneller, je dünner die Beschichtung ist. Der zeitliche Temperaturverlauf wird mit einem schnellen, hochempfindlichen Infrarotsensor erfasst und in eine entsprechende Schichtstärke umgerechnet. Präzise Vermessung Durch den punktförmigen Messfleck lassen sich dabei auch Ecken und Kanten kleinster Bauteile präzise vermessen. Die dabei gewonnenen Datenmengen werden durch ein intelligentes Konzept aggregiert, strukturiert und ausgewertet. Somit wird es für Batteriehersteller möglich, Fehlermuster zu erkennen, Produktionsabläufe zu optimieren und ein ganzheitliches Produktionsdatenmanagement zu etablieren. Dies eröffnet völlig neue Qualitätskriterien und Standards in der Batteriezellfertigung. Die Batterieherstellung In den nachfolgend dargestellten Prozessstufen der Batterieherstellung können die Zellen in den unterschiedlichen Produktionsphasen mit dem Messverfahren von Opti- Sense geprüft werden. Durch das Inline-Prüfsystemen ist es möglich, bereits während der Herstellung zerstörungsfrei Schichtdickenintoleranzen zu detektieren. Messung der Slurry-Beschichtung Im ersten Schritt werden die pulverförmigen Ausgangsstoffe der Elektroden mit Wasser und Lösungsmittel gemischt. Für die Anode ist das vor allem Graphit, also Kohlenstoff. Für die Kathode ist es ein Metalloxid bestehend aus Nickel, Kobalt, Mangan und natürlich Lithium. Aus den Bestandteilen entstehen Elektrodenpasten, die man Slurry nennt. Die Slurries werden auf dünne, metallische Trägerfolien aufgetragen. Die Paste der Kathode kommt auf eine Alufolie, die der Anode streicht man auf Kupferfolie. Bereits in diesem frühen Prozessstadium ist es mit Hilfe des OptiSense-Verfahrens möglich, Aussagen über die Qualität der Schichtdicke zu treffen. Die Methodik wurde vom Hersteller bereits in Serienversuchen im Laboraufbau erfolgreich an Elektroden getestet. Das Besondere beim Slurry-Auftrag Der Slurry-Auftrag geschieht beidseitig, die Folie kann also nicht abge- Rundzelle Prismatische Zelle Pouchzelle Rundzelle, prismatische Zelle und Pouch-Zelle Lithium-Ionen-Batteriemodule sind aus mehreren Batteriezellen zusammengesetzt. Jede Batteriezelle besteht dabei aus Anode, Kathode, einem Separator, sowie den flüssigen, ionenleitfähigen Elektrolyten. Durch flüssige Elektrolyten bewegen sich die Lithium-Ionen von einem Pol zum anderen. Das geschieht in einem Vakuum, so dass keine Luft eindringt. Die Batteriezellen übernehmen die zentrale Aufgabe der Batterie: die Speicherung und Freisetzung von Energie. Je nach Anwendung – z. B. in der Unterhaltungselektronik oder in der Automobilindustrie – unterscheiden sich Zellgrößen sowie deren Format. Die Mehrheit der Batteriezellen ist in drei Formaten erhältlich: zylindrisch, prismatisch und als dünne, biegsame Pouch-Variante. Die verschiedenen Zellformate werden zwar in ähnlichen Prozessschritten gefertigt, ein wesentlicher Unterschied besteht jedoch in der Herstellung: bei der zylindrischen Zelle werden die Elektroden und Separatoren gewickelt, bei der Pouch-Zelle werden diese gestapelt. Die Komponenten einer prismatischen Zelle können mittlerweile sowohl flach gewickelt als auch gestapelt werden. Das Gehäuse der prismatischen Zelle besteht – im Gegensatz zur Pouch-Zelle – aus festem Material, meist Metall. 1/2022 15

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