Inline-Elementanalyse

Elektroden für Li-Ionen-Batterien effizienter produzieren

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.

Fraunhofer IPM und Fraunhofer ISIT haben auf Basis der LIBS-Technologie ein Inline-Messsystem entwickelt, mit dem die chemische Zusammensetzung beschichteter Elektrodenfolien punktweise in einer Art 3D-Mapping quantitativ erfasst werden kann. (LIBS = laser-induced breakdown spectroscopy).

Mit dem Inline-Messsystem auf Basis der LIBS-Technologie kann die chemische Zusammensetzung beschichteter Elektrodenfolien punktweise in einer Art 3D-Mapping quantitativ erfasst werden. © Fraunhofer IPM

Elektrodenfolien für Li-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, so dass 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, macht es nun möglich, 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.

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Inline-Messsystem mit LIBS-Technologie
Das Inline-Messsystem basiert auf laserinduzierter Plasmaspektroskopie (LIBS), einem laserspektroskopischem 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 sowohl das Mischungsverhältnis der Bestandteile als auch deren Verteilung über das gesamte Elektrodenvolumen detektiert werden und so geprüft werden, ob diese homogen ist. 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 m/min.

Das Messsystem wurde am Fraunhofer ISIT in die Laboranlage einer Elektrodenfertigung integriert und getestet. © Fraunhofer IPM

Kürzlich wurde das Messsystem am Fraunhofer ISIT in die Laboranlage einer Elektrodenfertigung integriert. Dort wurden Elektrodenfolien der Varta Microbattery GmbH unter realen Produktionsbedingungen erfolgreich vermessen.

Zum Projekt
Im Projekt Q-LIB (Kostensenkung und Qualitätssteigerung bei der Lithium-Ionen-Batterie-Elektrodenfertigung durch quantitative, optische Inline-Messtechnik) arbeiten folgende Projektpartner zusammen: Varta Microbattery GmbH (Projektkoordinator), OWIS GmbH, Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM und Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT.

Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz BMWK (vormals BMWI) gefördert (Förderkennzeichen 03ETE013A).

Quelle: Fraunhofer IPM

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