Neues Verfahren entdeckt Störpartikel in der Zellproduktion

*Beispielhafte Darstellung

Autor: Die Redaktion & Dr. Peter-M. Heinze

Veröffentlicht am 10.06.2022

Kontaminationen in der Prozesskette der Batteriezellherstellung können katastrophale Folgen haben – wenn sie unerkannt bleiben. Vor allem die Entdeckung von Partikeln auf den Elektrodenfolien der Batterien können später ein thermisches Durchgehen – einen „Thermal Runaway“ – beim Betrieb der Zellen begünstigen. Die Ursache dafür liegt im Aufbau der Akkus, bei denen die stark aufgeladenen Energie­träger – die Anoden- und Kathodenfolien – durch nur fünf bis 20 Mikrometer dünne, poröse Kunststoff­folien auf Abstand gehalten werden (Abbildung 1). Werden diese Trennfolien im Zuge der Lade- und Entladevorgänge durch Partikel auf den Elektroden durchgerieben, kann es schnell zu einem Kurzschluss kommen. Dieser führt zu unkontrollierter Entladung mit entsprechend großer Hitzeentwicklung und häufig zum Batteriebrand, der sich kaum löschen lässt.

Abbildung 1: Betrachtung im Mini-Maßstab: Separatorfoliendicken (BSF) im Vergleich zum menschlichen Haar und zu unterschiedlich großen Partikeln auf Elektrodenbeschichtungen von Lithium-Batterien.

Durch ein neuartiges spezielles Inspektionsverfahren ist es nun der Dr. Schenk GmbH möglich, kleinste Partikel ab zehn Mikrometern und eventuell noch darunterliegend in kürzester Zeit vollautomatisch zu erkennen und die Qualität der Oberflächen beziehungsweise die Wirksamkeit der Blattreinigungsverfahren zu prüfen. Allerdings ist die sichere Detektion solch kleiner Objekte mit großem Aufwand verbunden, was – je nach spezifizierter Partikelgröße – erhebliche Investitionen mit sich bringt.

Insbesondere der europäische Markt ist für Spezialisten einzelner Gewerke der Zellfertigung bekannt. „Turnkey Supplier“, die die gesamte Prozesskette der Zellfertigung abdecken, gibt es in Europa derzeit nicht. Daher ist meist nach jedem einzelnen Prozessschritt innerhalb der jeweiligen Maschinenmodule eine optische Qualitätskontrolle vorgesehen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Vielfaches Gefahrenpotenzial: Zahlreiche Effekte uneinheitlicher Qualitätssicherungssysteme können die Produktion von Lithium-Batterien negativ beeinflussen.

Im Zuge der Beschaffung und Implementierung herrscht weitgehend schnell Einigkeit, da aktuell vor allem eine möglichst kurze Lieferzeit der Module eine zentrale Rolle spielt. Doch daran schließt sich eine entschei­dende Frage an: Wer ist langfristig für die Güte der Kontrolle und damit für die Qualität der Endprodukte verantwortlich? Ist es der Modulhersteller mit seinem bevorzugten Inspektionspartner? Ist es der Einkauf, der sich um die rechtzeitige und kostengünstige Beschaffung kümmert? Oder sind es die Ingenieurinnen und Ingenieure, die im Namen des Batterieherstellers die Qualität und die Sicherheit der Produkte beim Endkunden gewährleisten müssen?

Abbildung 3: Lösungsansätze: Die Effekte eines einheitlichen Qualitätssicherungssystems können die Produktion von Lithium-Batterien positiv beeinflussen.

Batterieproduzenten erkennen zunehmend die zentrale Bedeutung der Partikeldetektion auf den Elektrodenfolien. Diese Teilchen in einer Größenordnung von etwa zehn bis 30 Mikrometern (Abbildung 1) entstehen im Wesentlichen durch Schneidprozesse zur Blattvereinzelung. Dabei arbeiten mechanische und laserbasierte Werkzeuge aus den schichtweise aufgebauten Elektrodenfolien die einzelnen Blätter heraus. Durch die Interaktion mit dem Trennwerkzeug entsteht der sogenannte Debris („Trümmer“) – in Form von Partikeln, die aus identischem Material wie die Beschichtung bestehen und sich überwiegend nahe der Schnittkante niederschlagen. Der fehlende Materialkontrast erschwert erheblich die Detektion dieser Partikel auf den mikrokristallinen und deswegen optisch stark rauschenden Substraten. Im Vergleich zur Trennfolie ist der Debris (Abbildung 1) sehr groß und kann sie relativ einfach durchstoßen. Somit bildet er eine ernstzunehmende Gefahr für die Funktionalität und die Langzeitstabilität von Lithium-Batterien.

Für diese hochkomplexe Inspektionsaufgabe und für sämtliche anderen Prozesse im Bereich der Zellfertigung hat das Unternehmen „Dr. Schenk“ mit Hauptsitz in Gräfelfing nahe München eigenen Angaben zufolge produktionssichere Inline- und Offline-Lösungen entwickelt. Die modular aufgebaute „EasyInspect“-Anlage (Abbildung 5) umfasst zahlreiche Hauptkomponenten – unter anderem einen Träger mit exakt ausgerichteten „8K Dual Line CMOS“-Kameras und ultraheller LED-Beleuch­tung mit dynamischer Kühlung.

Abbildung 4: „EasyInspect“: So nennt sich das modular aufgebaute optische Prozess- und Qualitätssicherungssystem des süddeutschen Unternehmens „Dr. Schenk“. *Beispielhafte Darstellung

Im Betrieb der Anlage beleuchten eine oder mehrere LED-Lampen einen schmalen Materialstreifen quer über die gesamte Maschinenbreite. Auf diesen Bereich fokussieren die Kameras, die das Bahn­- oder Einzelblatt-Material Zeile für Zeile lückenlos abscannen. Die optische Auflösung wird durch die Anzahl der Kameras und der Scans pro Sekunde bestimmt. Sämtliche Videosignale, die über einem einstellbaren Schwellenwert liegen, sollen dann als lokale Abweichungen und damit als Fehlstellen betrachtet und detailliert ausgewertet werden.

Klassifikation der Defekte im Fokus

Besonderes Augenmerk werde auf die Klassifikation der Defekte gelegt, denn vor allem durch eine korrekte Zuordnung ließen sich die richtigen Rückschlüsse auf die Fehler­ur­sachen ziehen – und diese dann gezielt beheben. Neben der einfachen schwellenwert- und merkmals­basierten Klassifikation hatte das Unternehmen in den vergangenen Jahren eine neuronalnetzwerkgestützte Klassifikation eingeführt, die im vollen Graubild schwellenwertunabängig auch schwachkontrastige Defekte von deren Umgebung segmentiere und klassifiziere. Besondere Defekte und kritische Fehlerhäufungen innerhalb definierter Flächen lösen dann Ereignisse wie Alarme oder das Signal an einem Markierer aus.

Schaltung bis zu 140.000-mal pro Sekunde

Laut Angaben des Herstellers lassen sich bis zu sechs unterschiedliche Beleuchtungen mit einer Kamerareihe synchron takten. Durch die individuelle Einstellung des Beobachtungswinkels, der Beleuchtungsrichtung, der spezifischen Ausbreitung des Lichts, und der Wellenlängen sowie der Licht­intensi­tät sollen Defekte unter anderem entsprechend ihrer Kontrastwirkung, Lichtablenkung und Orientierung erfasst werden. Auf einer einzigen Scanlinie arbeiten bis zu sechs voneinander unabhängige optische Kanäle und machen die typischen Beschichtungsfehler, Klumpen, Kratzer und Partikel auf Elektroden sowie schwarze Stellen, Gele, Dellen und schwachkontrastige Fehler auf Separator- und ­Pouchpackfolien ausfindig. Das „Multiple Image Defect Analysis“ (MIDA)-Inspektionsverfahren ermögliche die Schaltung aller sechs Kanäle bis zu 140.000-mal pro Sekunde.

Optionale Flächenanalyse

Während die Inspektion lokale Abweichungen im Material und damit Fehlstellen erfasse und einzig diese auch auswerte, arbeiteten bei der optionalen Flächenanalyse „EasyMeasure“ sämtliche Kamerapixel als individuelle Helligkeitssensoren. Dabei würden sämtliche Signale numerisch hochpräzise und wiederholbar als Dicken- beziehungsweise Reflexionsänderungen in voller Materialbreite und -länge erfasst und mittels statistischer Funktionen interpretiert. Dazu würden Flächenkacheln aus Zehntausenden von Pixelsignalen in Echtzeit ausgewertet, wobei die Größe der Kacheln auf das jeweilige Material anpassbar sei. Unerlaubte Abweichungen vom Sollwert ermöglichten dann die sofortige Einleitung von Gegen­maß­nahmen an der Produktionslinie.