Messtechnik für die Batterie von morgen

Moderne Batterietechnologien spielen eine zentrale Rolle in zahlreichen Anwendungsgebieten, von Elektrofahrzeugen über Stromspeicher bis hin zu mobilen Geräten wie Smartphones. Mit dem zunehmenden Fokus auf Nachhaltigkeit und Elektrifizierung steigt die Bedeutung von Batterien kontinuierlich an. Um diesem Bedarf gerecht zu werden und die Qualität, Leistungsstärke und Wirtschaftlichkeit von Batterien kontinuierlich auf höchstem Niveau zu halten, ist ein hochpräziser Produktionsprozess unerlässlich. Um die einzelnen Fertigungsprozesse zu optimieren und die Qualität zu maximieren, kommt modernste Sensortechnologie von Micro-Epsilon zum Einsatz. 

Der Sensorspezialist Micro-Epsilon bietet für zahlreiche Anwendungen in der Batterieproduktion hochgenaue Lösungen. Diese reichen vom einzelnen Sensor bis zum kompletten Sensorsystem, von der Inline-Dickenmessung über die präzise Maschinenüberwachung bis hin zur 3D-Oberflächeninspektion. Die Sensoren werden von führenden Batterieproduzenten und Automobilkonzernen weltweit eingesetzt und überzeugen durch höchste Präzision und Zuverlässigkeit. Der Hersteller bietet Qualität und Lösungskompetenz sowohl für Serie als auch OEM-Anwendungen. Die Sensorsignale lassen sich verrechnen, bewerten oder über schlüsselfertige Turnkey Solutions auswerten. 

Mehr Präzision in der Batterieproduktion 

Sensoren und Systeme von Micro-Epsilon kommen in den hochautomatisierten Prozessen bei allen Produktionsschritten von Anoden und Kathoden, Separatoren, und Aktivmaterial zum Einsatz. Sie messen hochgenau bei der Beschichtung, dem Kalandrieren, der Assemblierung bis hin zur Formierung. Insbesondere für die Beschichtungslinien von Elektrodenfolien bietet Micro-Epsilon zahlreiche Lösungen. Die Sensorsysteme werden sowohl für Nassbeschichtungsprozesse als auch für Trockenbeschichtungen eingesetzt. Beschichtete Kupferfolien können ebenso überwacht werden wie Aluminiumfolien. Prozesskritische Messgrößen sind die Beschichtungsdicke, die Dicke der Folien, Bahnkantenposition und Coilabwicklung sowie die Überwachung des Beschichtungsauftrags an den Rändern. 

Dickenmessung von Batteriefolien 

Bei der Inline-Dickenmessung von Batteriefolien bewähren sich optische Sensoren wie z.B. kapazitive Sensoren. Diese verfügen über einen größeren Messfleck, weshalb sich über die Flächenintegration des Sensors eine inhomogene Struktur kompensieren lässt. Darüber hinaus können die kapazitiven Sensoren auch bei hohen Prozesstemperaturen von bis zu 200°C eingesetzt werden. Dank integrierter Temperaturkompensation liefern sie stabile Messwerte im Submikrometerbereich. Kapazitive Sensorik wurde früher vor allem in der Halbleiterindustrie für Reinraumanwendungen eingesetzt. Aufgrund innovativer Weiterentwicklung und Anpassung an die Industrieanforderungen, definieren sie nun einen neuen Standard in Abstands- und Dickenmessaufgaben über die gesamte Prozesskette hinweg.  

Neben kapazitiven Sensoren, kommen konfokal-chromatische Sensoren, Weißlicht-Interferometer und Lasersensoren zum Einsatz. Sie werden üblicherweise zur Überwachung und Regelung von Nassbeschichtungsprozessen eingesetzt, eignen sich aber auch für Trockenprozesse. 

Zweiseitige Dickenmessung bei der Elektrodenbeschichtung 

Bei der zweiseitigen Dickenmessung sind je zwei Sensoren der Reihe optoNCDT 1900 LL gegenüberliegend angeordnet, wobei jeder Sensor den Abstand zur Batteriefolie misst. Dank der Synchronisierbarkeit in Zusammenspiel mit der präzisen Sensorausrichtung wird eine hohe Messgenauigkeit bei gleichzeitig hoher Messrate erzielt. Die Dickenwerte lassen sich zur Regelung des Beschichtungsauftrags und zur Qualitätssicherung heranziehen. Dank der Laser-Line Strahlausführung ist dieser Sensor optimal für Inline-Dickenmessungen in der Batteriezellenproduktion geeignet. Bei der Elektrodenbeschichtung handelt es sich um eine zuvor getrocknete Paste (den sogenannten Slurry), die beidseitig auf einer Aluminiumfolie (für die Kathode) bzw. auf einer Kupferfolie (für die Anode) aufgetragen wird. Beim anschließenden Trocknen und Kalandrieren entsteht eine teilweise sehr poröse Oberfläche. Die speziell für Messungen auf rauen Oberflächen konzipierte kleine Laser-Linie eignet sich hervorragend für diese Anwendung, da Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche kompensiert werden. Die so erhaltenen Dickenwerte der beschichteten Folie werden zur Qualitätssicherung herangezogen. Dank der hohen Genauigkeit sowie seiner sehr kompakten Größe ist der optoNCDT 1900 LL für diese Messaufgaben prädestiniert. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, die Messaufgaben mit Laserklasse 2 zu lösen. 

Kapazitive Abstandssensoren zur Walzenspaltregelung 

Für die Überwachung und Regelung von Kalander- und Beschichtungswalzen werden im „State of the art“ meist induktive Sensoren eingesetzt. Da die Anforderungen der Endkunden und Anlagenbauer steigt, setzt Micro-Epsilon kapazitive Sensoren, häufig in flacher Bauform ein. Diese sind in verschiedenen Ausführungen verfügbar und erfassen den Walzenspalt mikrometergenau. Die kompakten Sensoren können in beengte Bauräume integriert werden, um direkt gegen die Walzen oder die Walzenaufhängung zu messen. Möglich ist die direkte Spaltmessung per Integration an der Walze z.B mit einem nur 0,9 mm dicken Flachsensor. Der Sensor kann beidseitig messen und detektiert somit zwei Abstände. Eine weitere Möglichkeit ist die indirekte Spaltmessung per Integration am Schaft mit einem äußerst kompakten kapazitiven Sensor von nur 4 x 3,5 mm. Die robuste Ausführung sowie hohe Temperaturstabilität dieser Sensoren erlaubt den Einsatz bei hohen Umgebungstemperaturen.  

Prozesssichere Unterscheidung von Schwarztönen in der Batterieproduktion 

Bei der Produktion von Lithium-Ionen-Akkus kommt es auf höchste Präzision an. Bei diesem hochmodernen Fertigungsprozess werden Trägerfolien mit einer Anode und einer Kathode zu einer Energiezelle vereint. Die Anode besteht aus einer Kupferfolie, die mit einer Graphitschicht in tiefem schwarz beschichtetet ist. Die Kathode weist eine Aluminiumfolie mit einer tiefschwarzen Lithium-Metall-Oxid-Beschichtung auf. Beide Schwarztöne sind kaum voneinander zu unterscheiden. Dies ist jedoch für die einwandfreie Funktion und Zuverlässigkeit der Akkus von großer Bedeutung. Das Farbmesssystem colorSENSOR CFO200 in Verbindung mit dem innovativen Ringsensor CFS2-M11 löst diese Messaufgabe zuverlässig und macht die prozesssichere Unterscheidung der feinen Farbnuancen möglich. Die Messung erfolgt in Echtzeit, mit hoher Präzision und hoher Geschwindigkeit. 

2D-/3D-Sensoren und dimensionelle Messtechnik für die Elektroden- und Batteriefertigung 

3D-Sensoren von Micro-Epsilon werden zur Montageüberwachung sowie zur 3D-Inspektion beschichteter Folien eingesetzt. 3D-Laserscanner kommen bei der kontinuierlichen Bandinspektion zum Einsatz, während 3D-Snapshot-Sensoren für Stop&Go-Messungen mit enorm hoher Präzision genutzt werden. Die 3D-Sensoren von Micro-Epsilon erlauben dabei eine stabile Messung mit hoher Auflösung und erfassen Fehlstellen mit kleinsten Geometrien, wie z.B. Abplatzungen und Einschlüssen. Zur Bandkantenüberwachung werden optische Mikrometer eingesetzt, die prozesssicher die Bahnführung prüfen. 

3D-Überwachung des Beschichtungsauftrags an den Bahnkanten 

Die Beschichtung von Elektroden muss mit höchster Präzision erfolgen. Aus diesem Grund überprüfen Laser-Scanner von Micro-Epsilon das Beschichtungsprofil am Bandrand. Dadurch werden  

Unregelmäßigkeiten in der Beschichtung und Welligkeiten erkannt. Die 3D-Laserscanner zeichnen sich durch hohe Dynamik, absolute Präzision und ihre kompakte Baugröße aus. Mit dem scanCONTROL 3000 und der neuen scanCONTROL 3002 Serie bietet Micro-Epsilon ein umfassendes Portfolio mit zahlreichen Messbereichen. Die Sensoren basieren auf den neuesten GigE Vision und GenICam-Standards und können daher in vielfältige Bildverarbeitungsumgebungen eingebunden werden. Über die Software 3DInspect steht eine leistungsstarke Software zur Parametrierung, Auswertung und Ausgabe zur Verfügung. 

Bahnkantenregelung der Elektrodenfolie 

Elektroden- und Separatorfolien müssen während der Produktion von Batteriezellen präzise geführt werden. Optische Mikrometer der Serie optoCONTROL erfassen die erforderliche Kantenposition für die Bahnkantenregelung. Werden mehrere Mikrometer betrieben, kann gleichzeitig die Bahnbreite ausgegeben werden. Dank der hohen Messrate eignen sich die optoCONTROL Mikrometer auch für die Überwachung von dynamischen Fertigungsprozessen. 

Inline-Systeme zur Banddickenmessung von Separatorfolien und transparenten Kunststoffen 

Zur Inline-Dickenmessung von Bandmaterialien wird das thicknessGAUGE Sensorsystem eingesetzt. Ausgestattet mit einem Weißlicht-Interferometer erfasst es die dünnen  

Beschichtungen ab 10 µm von Kunststofffolien mit Submikrometer-Genauigkeit. Mehrere Modelle mit verschiedenen Sensortypen, Messbereichen und Messbreiten stehen bei Micro-Epsilon zur präzisen Dickenmessung zur Verfügung. Diese Systeme nutzen je nach Anforderung an die Messaufgabe zwei optische bzw. elektromagnetische Abstandssensoren, um die Banddicke von Zellmaterial, Folien und Beschichtungen mit Mikrometergenauigkeit zu erfassen.  

Messsystem zur hochpräzisen Inline-Dickenmessung von Batteriefolie 

Das Messsystem thicknessCONTROL wird zur hochpräzisen Inline-Dickenmessung von beschichteten Batteriefolien eingesetzt und überzeugt durch langzeitstabile Messungen. Es besteht aus einem oder zwei robusten Messrahmen, die jeweils nach Kundenanforderung mit bis zu vier Dickenmessspuren ausgestattet werden können. Damit sind bis zu acht Dickenmesskanäle in einer Messanlage möglich. Die Sensoren basieren auf dem konfokal-chromatischen Messverfahren und werden über einen Mehrkanalcontroller synchronisiert ausgewertet. Durch eine patentierte Linearisierung der einzelnen Messspuren werden Messgenauigkeiten in Submikrometer erreicht.  

Fazit 

Der Einsatz von Micro-Epsilon Sensoren und Sensorsystemen in der Batterieproduktion erhöht die Wirtschaftlichkeit sowie die Qualität und schont Ressourcen. Micro-Epsilon entwickelt, produziert und vertreibt ein weltweit einzigartiges Spektrum an Sensoren, Messsystemen und kundenspezifischen Lösungen. Dabei werden sowohl Sensor- als auch Systemkompetenz mit tiefem Applikations-Know-how aus einer Hand geboten. Das breite Produktspektrum basiert auf unterschiedlichen Messprinzipen und ist auf die hohen Anforderungen in der Batterieproduktion abgestimmt. Es ist prädestiniert für die Überwachung von Produktionsprozessen in der Batteriezellenfertigung. Für die Dickenmessung der Batteriefolie stehen verschiedene Messverfahren zur Verfügung, die für die jeweiligen Prozessschritte optimiert sind. 

Autor: Michael Kuran, Key-Account Manager / Gruppenleiter Vertrieb Sensorik, Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG