elektrodenherstellung für Batteriezellen

Welche Laser-Ablenkeinheit bringt Spitzenleistung beim Schneiden von Elektrodenfolien?

Angesichts der aktuell vermehrten Rückrufe von Fahrzeugen und Batteriesystemen im Bereich der Elektromobilität setzen deutsche Maschinenbauer auf das Thema Qualität, um dem Markt neue Impulse zu geben. Es gilt, besonders gute Schnittkanten bei der Elektrodenherstellung für Batteriezellen zu erreichen und eine hervorragende Qualität „made in Germany“ der internationalen Konkurrenz, allen voran den übermächtigen Asiaten, entgegenzusetzen. Leider entsprechen die derzeit in den Zellfabriken angewendeten Fertigungsmethoden und Standards für Lithium-Ionen-Batteriefolien noch nicht denen der Automobilindustrie. Von der Steigerung der Qualität hängen aber die Güte und die Lebensdauer der Zellen ab. Diese zu erreichen liegt also im Interesse der Autobauer, sodass Rückrufaktionen von E-Autos bald der Vergangenheit angehören.

Die moderne Lasertechnologie mit ihren hochinnovativen Scannern kann hier gemeinsam mit ambitionierten Maschinenbauern die dringend benötigten Qualitätsstandards für den Automotive-Bereich schaffen und gleichzeitig helfen, das notwendige schnelle Hochlaufen der Zellfabriken zu gewährleisten.

WOZU BRAUCHT ES FOLIEN IN DER BATTERIEZELLPRODUKTION?

Derzeit kommen bei der Herstellung der Lithium-Ionen-Batterien in der Elektromobilität drei Zellformate zum Einsatz: Die Pouch-, die zylindrische sowie die prismatische Zelle.

Unabhängig vom Zelltyp, besteht die kleinste Einheit jeder Lithium-Ionen-Zelle aus zwei beschichteten Folien, den Elektroden. Zum einen eine Kupferfolie für die Anode und zum anderen eine beschichtete Aluminiumfolie für die Kathode. Zudem braucht es einen mikroporösen Separator, der die Elektroden voneinander trennt und durch den das ionenleitfähige Elektrolyt von einer zur anderen Elektrode fließen kann.

Das Mikroskopie-Bild der Laser-Schnittkante zeigt eine beidseitig beschichtete Graphit-Anode von 260 μm Dicke. Hier gut erkennbar der Abbrand der Beschichtung und der ausgefranste Schnitt, im Gegenzug zur klaren Kante beim Schneiden mit dem AXIALSCAN II-50. Quelle Sonplas

Bei der Elektrodenfertigung werden Trägerfolien aus Aluminium- und Kupfer, auf großen, sogenannten Mutterrollen mit Elektrodenmaterial beschichtet. Und anschließend auf Tochterrollen separiert, um die gewünschten Formate der Zellen zu bekommen.

Als nächster Schritt werden die Tochterrollen am Rand beschnitten bzw. die einzelnen Elektrodenblätter ausgeschnitten. Dabei bringen hier moderne Laser-Systeme deutliche Vorteile. So lässt sich mit einer Ablenkeinheit ein qualitativ hochwertiger Schnitt an der Beschichtung gut durchführen und es lassen sich auch die jeweiligen Elektrodenfolien durch Konturschneiden schnell und präzise generieren. Florian Thalhofer, Entwicklungsingenieur bei Sonplas: „Wir konzentrieren uns momentan besonders auf die Pouch-Zellen, da damit die höchste Energiedichte in E-Autos erreicht werden kann.“

Eine Laserschnittkante einer Kathode in der Dicke von 230 μm mit Lithium-Nickel-Cobalt-Mangnesium-Oxid-Beschichtung. Der Qualitätsunterschied bei richtiger Wahl der Prozessparameter und mit dem AXIALSCAN-II 50 ist deutlich sichtbar. Es entstehen keine Schmelzperlen und die Wärmeeinflusszone ist geringer. Quelle: Sonplas

Um die Produktivität zu erhöhen, wird üblicherweise das Schneiden der Batteriefolien und die Generierung der Einzelelektroden von z. B. Pouch-Zellen bei laufender Tochterrolle durchgeführt. Dabei gibt es enorme technische Probleme zu lösen. Florian Thalhofer, kennt die Schwierigkeiten nur zu gut: „Die eigentliche Problematik liegt in der Kombination, der verschiedenen Herausforderungen. Wir haben eine sehr hohe Schnittgeschwindigkeit bis über 1 Meter pro Sekunde. Es darf zu keiner Verschmutzung der Elektroden kommen. Insbesondere nicht mit Partikeln, die größer als 10 µm sind, da sonst die Separator-Folie leicht durchstoßen werden kann und zudem braucht es ein System, mit dem wir unterschiedliche Geometrien ohne Anlagenumbau bearbeiten können, wie z. B. die größten marktüblichen Elektroden im Scanfeld von 700 x 700 mm.“ Ein hochkomplexer Vorgang, der höchste Präzision bei größter Schnelligkeit erfordert und gleichzeitig anpassbar sein muss. Eine Aufgabe, wie geschaffen für moderne Laserschneidsysteme.

Laserstrahl-Ablenkeinheiten punkten in Sachen Qualität

Welche besonderen Systemkonfigurationen der Ablenkeinheit zu welchem Job passen, bestimmen die individuellen Anforderungen des Prozesses beim Kunden und der dabei verwendeten Materialien und Materialstärken. Der Straubinger Sondermaschinenbauer Sonplas GmbH hat sich auf die Qualität von Schnittkanten bei Elektrodenfolien konzentriert: Thalhofer: „Uns war es unter anderem wichtig, die sogenannte HAZ (Heat affected zone), sprich: die Wärmeeinflusszone, auf das Material zu verringern. Beim Schneiden sollte es zudem weder zu einem sogenannten Burnback, sprich dem Abbrand der Beschichtung, oder einer Gratbildung kommen. Und auch die Partikelgröße und Partikelanzahl wollten wir verringern.“

All diesen Anforderungen entsprechen innovative Laserablenkeinheiten. Sie bieten hohe Flexibilität in der Prozessfeldgröße. „Je größer die Prozessfelder, desto höher die Anforderungen an eine möglichst geringe Spotgröße, und desto höher die Geschwindigkeit, mit der der Prozess vorangetrieben wird“, so Wolfgang Lehmann, Produktmanager bei RAYLASE. Sonplas hat der Einsatz der entsprechenden Laserablenkeinheit sehr geholfen: „Durch den besseren Schnitt bei Elektrodenfolien erhöhen wir die Lebensdauer der Batteriezellen,“ freut sich Paul Birkeneder, bei Sonplas im Vertrieb. Derzeit arbeitet das Unternehmen an der Definition und Optimierung von messbaren Qualitätskriterien also an einem Verfahren zur allgemeinen Beurteilung der Güte von Elektrodenschnitten. 

Für Kunden macht es daher Sinn, bereits bei der Auslegung des Maschinenkonzeptes RAYLASE in die Herausforderungen von Anfang an miteinzubeziehen. So kann sichergestellt werden, dass die bestmögliche Konfiguration des Lasersystems und seiner Ablenkeinheiten gefunden werden kann, um wie für Sonplas Produktivität und Qualität zu erhöhen.

Unterstützt wird die Ablenkeinheit dabei von der RAYLASE Steuerelektronik SP-ICE-3 und der neuen Software RAYGUIDE. Sie erlauben eine Vielfalt an echtzeitfähigen Funktionalitäten speziell für die Anforderungen in der Batteriezellproduktion. So bietet z.B. die Lasersoftware RAYGUIDE eine optimale Kundenschnittstelle zur Steuerelektronik und kann bei Bedarf eine intuitive und gleichsam hochfunktionelle Prozesskonfigurationsoberfläche bereitstellen. Sie visualisiert die auszuführenden Prozesse anschaulich und zeichnet deren Ausführung positionsgenau mit Zeitstempel auf. Die Steuerelektronik ist außerdem in der Lage, die Bahngeschwindigkeit, detektiert durch sogenannte Encode, auch während Geschwindigkeitsrampen präzise zu berücksichtigen und den Schnitt positionsgenau zu verrichten. Diese Funktion wird als „MOTF – Marking on the fly“ bezeichnet und erlaubt das Schneiden bei laufender Mutter- oder Tochterrolle.

Seit 2020 legt Sonplas einen besonderen Schwerpunkt auf das Thema „Batterie“ und dort vor allem auf die „Qualität in der Zellfertigung“, denn die Automotive-Standards sind nun mal deutlich höher als im Consumer Bereich. Florian Thalhofer, Ingenieur in der Forschungs- und Entwicklungsabteilung bei Sonplas, sieht die Vorteile der Kooperation so: „Durch die Verbindung unseres Wissens in der Batteriezellfertigung mit dem Können der Laserablenkeinheit AXIALSCAN II-50 von RAYLASE, die von Anfang an unser Favorit war, ist es uns gelungen, einen qualitativ sehr hochwertigen Laserschnitt an den zu separierenden Elektrodenfolien zu erreichen.“ Das konnte Sonplas in einer ersten Teststrecke bereits umsetzen und mit vielen Mikroaufnahmen gut dokumentieren. Und er fährt fort:

Als nächstes Ziel haben sich die Niederbayern vorgenommen, mit einer Variation der Laserkonfiguration den Durchsatz bei einer gleichbleibend guten Schnittkantenqualität der Batteriefolien zu erhöhen.

Derzeit baut Sonplas eine Demonstrationsanlage für Kunden auf, um diesen Vorsprung erfahrbar bzw. sichtbar zu machen. Denn die Kombination des Know-hows im Sondermaschinenbau der Niederbayern mit den innovativen Laserablenkeinheiten der Oberbayern - sprich: aus zwei forschenden Unternehmen - kann die Qualität beim Folienschneiden und damit der Batterieproduktion um ein Vielfaches verbessern. Sie stützt damit das derzeit hochdynamische Wachstum in Europa und vor allem in Deutschland.

Paul Birkeneder: „Unsere Vision ist es, in den von asiatischen Anlagenbauern dominierten Markt einzutreten und die vor allem in Europa entstehenden Zellfabriken mit unserer Technologie zu unterstützten und dabei einer der Anbieter zu sein, der Topqualität liefert.“ Auch ökologisch macht eine gute Qualität in der Batterieherstellung Sinn, denn sie hilft, die derzeit großen Ausschussraten bei der aktuellen Produktion zu reduzieren. Also genau das, worauf Premium-Markenautobauer gewartet haben.