Schichtdicke, Randüberhöhung und Grat: Inline-Messtechnik in der Elektrodenfertigung

Warum Schichtdicke und Kantengeometrie über Zellqualität und Sicherheit entscheiden

Die Beschichtungsdicke bestimmt, wie viel Aktivmaterial an jeder Stelle der Elektrode zur Verfügung steht. Schwankt sie, schwankt die lokale Kapazität, und beim Kalandrieren entstehen aus Dickenfehlern Verdichtungsfehler. Eine überhöhte Kante wird im Kalander stärker gepresst als die Bahnmitte, was Wellen, Sattelbildung und im schlimmsten Fall Folienrisse nach sich zieht. Die Kantengeometrie ist damit keine Randnotiz, sondern eine Prozessgröße, die über die Weiterverarbeitbarkeit der gesamten Rolle bestimmt.

Sicherheitsrelevant wird es an der geschlitzten Kante. Grate und Aufwürfe, die beim Schlitzen der Folie entstehen, können nach dem Stapeln den Separator durchdringen und einen internen Kurzschluss verursachen. Genau deshalb verlangen Zellprojekte eine lückenlose Kontrolle der Kanten, nicht nur eine Stichprobe am Rollenanfang.

Die verbreiteten Ersatzgrößen tragen diese Anforderung nicht. Das Flächengewicht aus der Wägung liefert einen Mittelwert über die Fläche, aber kein lokales Profil. Taktile Dickenmessungen berühren die empfindliche Schicht und erfassen nur einzelne Punkte. In dokumentierten Anwendungen sitzen deshalb bislang ein bis zwei Vollzeitkräfte an der Offline-Kontrolle von Folienkanten unter dem Mikroskop, mit Klebebandabzügen und Stichproben, während die Bahn längst weiterläuft.

Heavy Edge, Einschnürung und Grat: typische Fehlerbilder an Elektrodenfolien

An der Beschichtungskante wiederholen sich wenige, gut beschreibbare Fehlerbilder. Die Randüberhöhung, oft als Heavy Edge bezeichnet, ist eine Aufdickung der Schicht unmittelbar an der Kante, die beim Trocknen und Kalandrieren Probleme macht. Ihr Gegenstück ist die Einschnürung, ein lokales Dickenminimum kurz vor der Kante. Dazu kommen die Form der abfallenden Kante selbst, deren Länge in vielen Lastenheften begrenzt ist, die Welligkeit der Kante in Bahnrichtung und die Lage der Beschichtungskante auf der Folie, die bei intermittierender Beschichtung zusätzlich je Segment stimmen muss.

An geschlitzten Folien verschiebt sich der Blick auf die Schnittkante. Hier zählen Grathöhe und Aufwürfe, die über die Folienebene hinausragen. Ein Punktsensor, der irgendwo auf der Bahn misst, sieht von all dem wenig. Wer die Kante beurteilen will, braucht das Profil quer zur Bahn, und zwar fortlaufend über die Rollenlänge, damit auch ein sporadischer Fehler einem Bahnmeter zugeordnet werden kann.

Konfokale Dickenmessung auf der Bahn: Sensoren der Modellreihe CL-3000 im Einzel- und Doppelkopfaufbau

Für die Schichtdicke auf der laufenden Bahn haben sich konfokale Wegmesssensoren der Modellreihe CL-3000 bewährt. Das konfokale Prinzip arbeitet berührungslos, ist unempfindlich gegenüber Glanzgrad und Farbe der Oberfläche und misst auch transparente und kontrastarme Schichten stabil, was an nassen Beschichtungen und Separatorbahnen den Ausschlag gibt.

Zwei Aufbauten decken die typischen Aufgaben ab. Im Einzelkopfaufbau misst der Sensor den Abstand zur Schichtoberfläche gegen eine Referenz, etwa eine Walze, und liefert daraus die Auftragshöhe. Im Doppelkopfaufbau stehen sich zwei Sensoren gegenüber und erfassen Ober- und Unterseite gleichzeitig. Die Dicke ergibt sich als Differenz beider Signale und bleibt damit unabhängig davon, ob die Bahn flattert oder ihre Lage zwischen den Köpfen verändert. In der Anwendungspraxis werden so Dicken an Folie und Beschichtung mit Genauigkeiten von wenigen µm bis in den Sub-µm-Bereich verfolgt, wahlweise an festen Spuren oder traversierend über die Bahnbreite.

Kantenprofil und Randüberhöhung bewerten: Profilsensoren der Modellreihe LJ-X8000 mit Encoder-Anbindung

Die Kante verlangt ein anderes Werkzeug. Ein Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 projiziert eine Laserlinie quer über den Kantenbereich und erfasst das komplette Höhenprofil in einer Aufnahme. Aus diesem Profil werden Randüberhöhung, Einschnürung, Kantenform und die Lage der Beschichtungskante auf der Folie direkt ausgewertet, Profil für Profil, während die Bahn läuft. An geschlitzten Kanten erkennt dieselbe Anordnung Grate und Aufwürfe, die über die Folienebene hinausstehen.

Mehrere Köpfe, etwa je einer an linker und rechter Kante, laufen an einem Controller der Modellreihe XG-X zusammen. Der Controller übernimmt die Auswertung, verrechnet die Profile encoder-synchron mit dem Bahnvorschub und bildet Bewertungsabschnitte, also definierte Bahnlängen, über die Kennwerte wie maximale Überhöhung oder Grathöhe zusammengefasst und dokumentiert werden. Ein Fehlerereignis lässt sich so später einer Position auf der Rolle zuordnen, was für das Ausschleusen fehlerhafter Abschnitte in der Konfektionierung gebraucht wird.

Nass- und Trockenbereich, Bahngeschwindigkeit und Schnittstellen: Integration in die Beschichtungsanlage

Die Messtechnik muss der Anlage folgen, nicht umgekehrt. In realen Projekten sitzen einzelne Messstellen direkt hinter der Schlitzdüse im Nassbereich, andere nach dem Trockner, und beide Zonen stellen eigene Anforderungen an Montage und Verschmutzungsschutz. Zwischen Messkopf und Auswerteeinheit liegen in Beschichtungsanlagen oft erhebliche Distanzen, weshalb lange Kabelwege zwischen Kopf und Controller früh in der Planung berücksichtigt werden sollten.

Die Bahngeschwindigkeit bestimmt die Abtastung. Wer bei 400 m/min jeden Bahnmeter bewerten will, braucht eine entsprechend hohe Profil- beziehungsweise Messrate und eine saubere Encoder-Anbindung, damit die Zuordnung zur Bahnposition auch bei Geschwindigkeitswechseln stimmt. Die Ergebnisse gehen über Profinet an die Anlagensteuerung, die daraus Trends für die Prozessregelung und Grenzwertmeldungen für den Bediener ableitet. Ergänzend überwachen ultraschnelle und hochgenaue Laser-Wegmesssensoren der Modellreihe LK-G5000 Bahnabstand und Schwingungen an Walzen und Umlenkungen, denn eine flatternde Bahn verfälscht jede Kantenbewertung. Läuft die Linie im Trockenraum, gelten die gleichen Abnahmeregeln wie für die übrige Anlagentechnik.

Vom Labor zur Linie: Musterversuche, Bewertungsabschnitte und Toleranzdefinition

Der Weg in die Linie beginnt im Labor. Querschliffe von Elektroden, die Zustellung der Schlitzdüse oder die Prägetiefe von Strukturwalzen lassen sich an Probestücken mit dem 3D Laserscanning-Mikroskop der Modellreihe VK-X und dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX untersuchen. Diese Referenzmessungen liefern das Verständnis, welche Kantenform der Prozess überhaupt erzeugt, und die Vergleichswerte, gegen die die Inline-Messung später validiert wird.

Für die Auslegung der Linienmessung haben sich drei Schritte bewährt. Zuerst Musterversuche mit realen Folien aus dem eigenen Prozess, einschließlich bekannter Schlechtteile, um Messbarkeit und Auflösung an den kritischen Merkmalen zu bestätigen. Danach die Definition der Bewertungsabschnitte, also über welche Bahnlänge Kennwerte gemittelt, als Maximum bewertet und abgelegt werden. Zuletzt die Toleranzdefinition gemeinsam mit dem Prozess, denn eine Randüberhöhung von wenigen µm kann je nach Kalandrierstrategie unkritisch oder ein Abbruchkriterium sein. Wer diese Reihenfolge einhält, ersetzt die Offline-Kontrolle nicht nur formal, sondern gewinnt eine fortlaufende Prozessgröße, mit der sich Düseneinstellung und Trocknung gezielt nachführen lassen.

Häufige Fragen

Weiterführende Artikel

Übergeordnete Themenseite: Messen, Kennzeichnen und Prüfen in der Batterie- und E-Mobility-Produktion: Der Überblick für Qualitäts- und Fertigungsverantwortliche

Hauptartikel zum Thema: Ebenheit und Dellen an Batteriewannen und Gehäusedeckeln: großformatige 3D-Messung in der Linie

Weiterer Artikel im Thema: Zellkontaktiersysteme und Busbars prüfen: Höhe, Position und Koplanarität vor dem Schweißen

Weiterer Artikel im Thema: Sicherheitsrelevante Zellmerkmale messen: Berstmembran, Sealcap und Schweißnaht an der Batteriezelle

Weiterer Artikel im Thema: Kleberaupe und Gapfiller in der Batteriemontage: Höhe, Breite und Überstand zuverlässig prüfen