Lithium-Ionen-Batterie

Die Batterieindustrie entwickelt sich schneller und dynamischer als je zuvor. Mit der zunehmenden Bedeutung der Elektromobilität und der stationären Datenspeicherung wächst der Druck auf die Branche, die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien zügig voranzutreiben. Längere Distanzen und höhere Leistung sind ebenso ein Maßstab wie die Erhöhung der Batterielebensdauer und die Senkung der Produktionskosten.

Die Lösung zur Erfüllung der Benchmark-Anforderungen ist eine erweiterte industrielle Produktion. Die industrielle Produktion ermöglicht eine parallele Kostendegression und Qualitätsverbesserung im Hinblick auf Skaleneffekte, Automatisierung und technische Innovation sowie Ressourcen- und Energieeffizienz.

Elektrodenproduktion und Zellassemblierung der Li-Ion Batterie Industrie

Bei der Verarbeitung der Materialbahnen zur Produktion von Lithium-Ion Batterien ist absolute Präzision Voraussetzung für ein sicheres und qualitätshochwertigen Produkt. Nur eine qualitative einwandfreie Lithium-Ion Batterie kann die hohen Anforderungen des Endproduktes, vor allem für die E-Mobilität, erfüllen.

Eine Herausforderung stellt hier die exakte Führung und Positionierung der Materialbahnen in den einzelnen Verarbeitungsprozessen dar, da verschiedene Bahnen korrekt zueinander geregelt und vermessen werden müssen. Diese Aufgabenstellung löst BST über die Ausnutzung seines breiten Produktportfolios, welches z.B. Inspektions- und Bahnlaufregelungssysteme umfasst.

So können Inspektionssysteme zum einen verschiedene Vermessungsaufgaben übernehmen, zum anderen können ihre Messdaten aber auch an die Bahnlaufregelungssysteme weitergegeben werden und so deren Regelergebnis optimieren. Die Vernetzung der BST Systeme über die Visualisierungs- und Bedienplattform PROSolutions bietet Kunden eine umfassende Lösung, die von der Bereitstellung von produktionsqualitätsrelevanten Daten bis hin zur kombinierten Bahnlaufregelung mit intelligenter Sensorik reicht.

Prozessschritte der Batterieherstellung

Unsere Produkte und Lösungen sind in folgendenen Prozessschritten vertreten:

Coating

Die Trägerfolie (Kupfer oder Aluminium) wird in der Regel über eine Schlitzdüse beschichtet (Slurry). Dabei wird entweder kontinuierlich oder intermittierend auf 1 bis 3 Bahnen beschichtet.

Die Beschichtung von Folienober- und Folienunterseite erfolgt entweder sequenziell (2 Prozessschritte in der gleichen Linie), nacheinander beidseitig (1 Prozessschritt in einer Linie) oder gleichzeitig im Schwebetrocknerverfahren (1 Prozessschritt in einer Linie). Nach dem Trockenprozess wird das Material wieder aufgerollt.

Unsere Lösungen für die Qualitätssicherung bei der Beschichtung umfassen u. a. die Produktbereiche Bahnlaufregelung, Regelung von Schichtpositionen der Ober- zu Unterseite und Oberflächen- und Kanteninspektion für alle relevanten Beschichtungsoptionen.

Calendering

Beim Kalandern wird die beidseitig beschichtete Kupfer- bzw. Aluminiumfolie durch ein rotierendes Walzenpaar verdichtet. Dazu wird das, in der Beschichtungslinie aufgerollte, Material wieder am Kalander abgerollt und nach dem Kalandrieren wieder aufgerollt.

Hier möchten Kunden die Maschinengeschwindigkeiten voll auszunutzen! Somit stehen sie dann aber vor der Herausforderung sicherstellen zu müssen, dass alles in geregelten Bahnen läuft – von der Abrollung des Materials über die Führung durch den Produktionsprozess bis zur Aufwicklung.

BST eltromat bietet ein umfangreiches Bahnlaufregelungsspektrum mit verschiedenen Stellgliedern, Regelgeräten und Sensoren an, welches verschiedenste Anforderungen abdeckt. So können Prozesse stabilisiert, Makulatur minimiert und Ausfallzeiten reduziert werden.

Slitting

Die große kalandrierte Mutterrolle wird nun der Slitting-Anlage zugeführt. Dabei wird durch einen Schneidvorgang (Video: Battery Slitting) die Materialbahn in Längsrichtung mit rotierenden Messern in mehrere kleinere Bahnen geschnitten (Längsschnitt). Die einzelnen Tochterrollen werden nach dem Schneidprozess jeweils wieder aufgerollt.

Um die Maschinengeschwindigkeiten voll auszunutzen und gleichzeitig sicherzustellen, dass alle Tochterrollen einwandfrei aufgerollt werden, finden BST Bahnlaufregelungen ihren Einsatz. Zusätzlich kann die geschnittene Breite der einzelnen Bahnen anhand der Bahn selbst oder des Slurrys mit einer Breitenmessung überwacht und auch über die Visualisierungs- und Bedienplattform PROSolutions geregelt werden.

Separating

Das Vereinzeln der einzelnen Bestandteile ist für die Fertigung von Batteriezellen erforderlich. Dabei werden die Anoden oder Kathoden in einem kontinuierlichen Prozess durch ein Stanz- oder Laserschneidverfahren aus den Tochterrollen ausgeschnitten. Dabei bleiben dann die sogenannten Tabs stehen, die später als elektrischer Anschluss für die Batterien dienen.

BST eltromat bietet Lösungen, um die Materialbahn exakt zum Laserschneider zu positionieren. Nur so kann gewährleistet werden, dass die Tabs den geometrischen Anforderungen von Basismaterial zur Beschichtung entsprechen.

Desweitern ermöglicht die Inspektionslösung „Shape Measurement“ die Überwachung der geometrischen Verhältnisse, welche auch über die Visualisierungs- und Bedienplattform PROSolutions in den Prozess zurückgeführt werden können. Zur Aufrollung des Materials ist BST Bahnlaufregelung mit der Standardfunktion „Tab Ignoring“ (Video: Tab Ignoring) zwingend erforderlich.

Half-Slitting

Hierbei handelt es sich um den Folgeprozess des Separierens zur Herstellung einer Batteriezelle. In einem Slitter werden die Tochterrollen mit den Tabs halbiert und wieder aufgerollt.

Um eine präzise Bahnführung zu gewährleisten, kommt die BST Bahnlaufregelung zum Einsatz, wobei die Standardfunktion „Tab Ignoring“ (Video: Tab Ignoring) zwingend erforderlich ist, um die Tabs bei der Bahnkantenregelung zu ignorieren. Nur so kann das Material präzise vor dem rotierenden Messer positioniert und das Material genau auf die Hälfte (von der Materialkante oder Slurry-Kante aus) geschnitten werden.

Zusätzlich kann die geschnittene Breite der einzelnen Bahnen mit einer Breitenmessung (der Bahn oder des Slurrys) überwacht und auch über die Visualisierungs- und Bedienplattform PROSolutions geregelt werden.

Stacking / Winding / Laminating


Wickeln (Prismatisch / Rundzelle)

Das Wickeln für die Herstellung von prismatischen Zellen und Rundzellen findet nach dem „Half-Slitting“ der Tochterrollen statt. Dabei werden die Elektrodenbahnen und zwei Separator-Bahnen um einen Wickeldorn (prismatische Zelle) oder einen zentralen Pin (Rundzelle) gewickelt.  Ähnlich wie bei dem Laminier- und Stapelprozess liegt die Herausforderung in diesem Prozess darin, die Bahnen hochpräzise zusammenzuführen.

BST eltromat löst diese Aufgabe mit der Vernetzung mehrerer Bahnlaufregelungen (Video: Vernetzung von Bahnlaufregelungssystemen), die zusätzlich auf Funktionen wie Master/Slave und Offsetkorrektur zugreifen. So können die einzelnen Kanten bei Abweichungen von ihrer vorgesehenen Position einfach zurückgeregelt und die genaue Führung verschiedener Bahnen zueinander sowie durch den Prozessschritt bis zur Aufwicklung sichergestellt werden.

Laminieren und Stapeln (Pouch-Zelle)

In diesem Prozessschritt wird aus den zugeführten Materialien (4 Bahnen = 1 Anode + 1 Kathode + 2 Separator) die Monozelle durch ein hochpräzises Zusammenführen und Laminieren hergestellt. Im anschießenden Prozess wird dann die zusammengeführte Materialbahn entsprechend geschnitten und gestapelt.

In diesem Prozess ist es besonders wichtig, die Bahnen hochpräzise zusammenzuführen. Aufgrund der jahrzehntelangen Erfahrung im Bereich Bahnlaufregelung vernetzt BST in diesem Prozessschritt mehrerer Bahnlaufregelungen untereinander und stattet sie zusätzlich mit Funktionen wie Master/Slave und Offsetkorrektur aus. Abweichungen von den Sollpositionen der einzelnen Kanten können so ausgeregelt und die genaue Führung verschiedener Bahnen zueinander sichergestellt werden. Zur Absicherung einer sicheren Kantenerkennung hat BST eigens für diesen Prozess einen speziellen Sensor entwickelt, der alle relevanten Kontrast-, Objekt- und Schichtinformationen der Visualisierungs- und Bedienplattform PROSolutions zur Verfügung stellt.