Inline-Elementanalyse für die Fertigung von Elektrodenfolien für Lithium-Ionen-Batterien

Bei der Produktion von Elektrodenfolien für Lithium-Ionen-Batterien kommt es oftmals zu Fehlern aufgrund inhomogener Beschichtungen. Fraunhofer IPM und Fraunhofer ISIT haben gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung ein optisches Inline-Messsystem entwickelt, das die Materialzusammensetzung von Elektrodenfolien quantitativ und tiefenaufgelöst bestimmt – direkt in der Fertigungslinie. Auf diese Weise sollen Elektroden für Li-Ionen-Batterien in Zukunft kostengünstiger und qualitativ hochwertiger gefertigt werden können.

Elektrodenfolien für Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus einem Aktivmaterial (Nickel-Mangan-Kobalt-Kügelchen plus Lithium), Leitadditiven und Binder. Diese Materialien werden als Suspension auf eine Aluminiumfolie aufgebracht und dann zu einer etwa 100 µm dünnen Schicht eingetrocknet. Nicht selten entmischen sich die Bestandteile der Suspension während des Trocknungsprozesses, sodass der Binderanteil an einigen Stellen zu gering ist. Dies beeinträchtigt die Haftung der Gesamtschicht. Ein optisches Inline-Messsystem, das Fraunhofer IPM und Fraunhofer ISIT im Projekt Q-LIB gemeinsam mit den Firmen Varta und OWIS entwickelt haben, erlaubt es nun, den Beschichtungsprozess in Bezug auf die Mischung aktiv zu regeln. So kann Ausschuss in der Produktion reduziert und die Anlaufzeit bei der Produktion von neuen Rezepturen verkürzt werden.

Inline-Messsystem mit LIBS-Technologie soll Elektrodenfolien für Lithium-Ionen-Batterien verbessern

Das Inline-Messsystem basiert auf laserinduzierter Plasmaspektroskopie (LIBS). LIBS ist ein laserspektroskopisches Verfahren, mit dem sich die elementspezifische Zusammensetzung einer Probe bestimmen lässt. Das System ermittelt die Materialverteilung in der Elektrodenfolie punktweise als 3D-Mapping. Damit kann man sowohl das korrekte Mischungsverhältnis der Bestandteile als auch deren homogene Verteilung über das gesamte Elektrodenvolumen detektieren. Das macht eine Qualitätskontrolle und -regelung in Echtzeit möglich. Die Herausforderung dabei war, die Verteilung nicht nur an der Oberfläche, sondern auch tiefenaufgelöst innerhalb der gesamten Beschichtung zu messen. Und zwar bei Produktionsgeschwindigkeiten von rund 20 Meter pro Minute.

Kürzlich hat man das Messsystem am Fraunhofer ISIT in die Laboranlage einer Elektrodenfertigung integriert. Dort haben die Forscher:innen Elektrodenfolien der Varta Microbattery GmbH unter realen Produktionsbedingungen erfolgreich vermessen.

6.7.2022 | Quelle: Fraunhofer IPM | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH