Realisierung der berührungslosen Inline-Dickenmessung von Elektrodenplatten
Die Dicke von positiven und negativen Elektrodenfolien (Elektrodenplatten) für Lithium-Ionen-Batterien wird mit hoher Genauigkeit mithilfe eines Laser-Wegmesssensors gemessen. Durch die Messung der Dicke der laufenden Bahn in Echtzeit während der einzelnen Prozessschritte nach dem Beschichten und Pressen wird die Qualitätskontrolle für Batteriekapazität und Sicherheit unterstützt.
Warum ist die Dickenmessung von Elektrodenplatten wichtig?
Vergleichen Sie Schweißprüfverfahren hinsichtlich Erkennungszielen, Genauigkeit, Geschwindigkeit, Kosten und Eignung für die Automatisierung.
Einheitliche Batteriekapazität
Die Beschichtungsmenge der Aktivmaterialien auf den positiven und negativen Elektroden beeinflusst direkt die Dicke der Elektrodenplatten. Wenn die Dicke ungleichmäßig ist, treten Kapazitätsschwankungen von Zelle zu Zelle auf, und die Leistung des gesamten Moduls wird durch die schwächste Zelle begrenzt. Durch die Inline-Messung der Dicke jeder Elektrodenplatte kann die Stabilität des Beschichtungsprozesses sofort bestimmt werden.
Gewährleistung der Sicherheit
Wenn die Beschichtungsdicke des Aktivmaterials lokal zu groß wird, kommt es beim Laden und Entladen wahrscheinlich zu Lithiumabscheidungen, die interne Kurzschlüsse verursachen. Die Dickenkontrolle von Elektrodenplatten ist insbesondere bei EV-Batterien anspruchsvoll und erfordert eine Qualitätssicherung im Mikrometerbereich.
Verbesserung der Ausbeute und Reduzierung der Kosten
Bei der Offline-Messung anhand entnommener Proben verzögert sich die Erkennung von Fehlern, was zu hohen Ausschussverlusten führt. Die Echtzeit-Inline-Messung der Elektrodenplattendicke ermöglicht bei Auftreten einer Abweichung ein sofortiges Feedback und minimiert Materialverluste.
Herstellungsprozess von Batterieelektroden und Messpunkte für die Dickenmessung
Die Dickenmessung von Elektrodenplatten wird an mehreren Schritten im Herstellungsprozess durchgeführt. Das zu messende Objekt sowie die erforderliche Genauigkeit und Geschwindigkeit unterscheiden sich je nach Schritt.
- 1 Mischen und Homogenisieren – Aktivmaterialien, Bindemittel und Leitadditive mischen
- 2 Beschichten – Dickenmessung (1). Slurry auf den Stromableiter (Folie) auftragen
- 3 Walzen (Pressen) – Dickenmessung (2). Mit einer Walzenpresse auf die Zieldichte verdichten
- 4 Schneiden und Aufwickeln – Auf die gewünschte Breite schneiden und als Elektrodenrolle aufwickeln
Vergleich von Methoden zur Dickenmessung von Elektrodenplatten
Es gibt mehrere Methoden zur Messung der Dicke von Elektrodenplatten. Die optimale Methode wird durch einen umfassenden Vergleich von Messgenauigkeit, Geschwindigkeit, Kosten und Wartungsfreundlichkeit ausgewählt.
| Vergleichspunkte | Laser-Wegmesssensor (berührungslose optische Ausführung) | Mikrometer mit Kontaktmessung usw. | Betastrahlenverfahren |
|---|---|---|---|
Inline-Kompatibilität |
Laser-Wegmesssensor (berührungslose optische Ausführung)
◎ Möglich
|
Mikrometer mit Kontaktmessung usw.
△ Schwierig (Probenentnahme)
|
Betastrahlenverfahren
◎ Möglich
|
Auswirkung auf Elektrodenplatten |
Laser-Wegmesssensor (berührungslose optische Ausführung)
◎ Berührungslos
|
Mikrometer mit Kontaktmessung usw.
△ Risiko von Kratzern durch Kontakt
|
Betastrahlenverfahren
◎ Berührungslos
|
Vorschriften und Sicherheitsmanagement |
Laser-Wegmesssensor (berührungslose optische Ausführung)
◎ Nicht erforderlich
|
Mikrometer mit Kontaktmessung usw.
◎ Nicht erforderlich
|
Betastrahlenverfahren
△ Strahlenschutzmanagement erforderlich
|
Wartung |
Laser-Wegmesssensor (berührungslose optische Ausführung)
◎ Praktisch keine Wartung erforderlich
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Mikrometer mit Kontaktmessung usw.
○ Regelmäßige Kalibrierung
|
Betastrahlenverfahren
△ Austausch der Quelle erforderlich
|
Anschaffungskosten |
Laser-Wegmesssensor (berührungslose optische Ausführung)
○ Mittel bis hoch
|
Mikrometer mit Kontaktmessung usw.
◎ Geringe Kosten
|
Betastrahlenverfahren
△ Hohe Kosten
|
Zusammenfassung der Methodenauswahl
Kontaktverfahren sind hochpräzise, eignen sich jedoch nicht für den Inline-Einsatz und bergen das Risiko, die Elektrodenplatten nach dem Pressen zu verkratzen. Betastrahlenverfahren haben sich in der Inline-Messung bewährt, aber die Verwaltungskosten für Strahlungsquellen und die Einhaltung von Gesetzen und Vorschriften sind aufwendig. Laser-Wegmesssensoren arbeiten berührungslos, schnell und hochpräzise und unterliegen keinen regulatorischen Anforderungen. Damit sind sie die beliebteste Wahl für den Aufbau neuer Linien oder den Ersatz bestehender Linien.
Beste Produkte zur Dickenmessung von Elektrodenplatten
KEYENCE bietet Produkte, die die Dickenmessung von Elektrodenplatten unterstützen. Wir schlagen die optimale Konfiguration entsprechend dem Messobjekt und dem Prozess vor.
Am häufigsten für die Dickenmessung eingesetzt — Modellreihe CL-3000
Konfokaler Wegmesssensor
Das Weißlicht-Konfokalverfahren ermöglicht eine stabile Dickenmessung unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit (Glanz/Rauheit) der Elektrodenplatte. Zwei Sensorköpfe sind beidseitig an der Elektrodenfolie angeordnet, um die Gesamtdicke der laufenden Elektrodenplatte in Echtzeit zu messen. Eine spezielle Vorrichtung mit hoher Beständigkeit gegenüber Temperaturschwankungen ermöglicht eine stabile Messung über lange Zeiträume.
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Anwendungsbeispiele zur Dickenmessung in Batterieproduktionslinien
Nachfolgend finden Sie Beispiele für die Dickenmessung mit Laser-Wegmesssensoren bei verschiedenen Batterieherstellern.
Dickenmessung von Folien
Misst die Dicke von Aluminiumfolie und Kupferfolie. Zur Anpassung der Beschichtungsmenge wird aus den Dicken der beschichteten Elektrode und der Folie selbst ausschließlich die Beschichtungsdicke berechnet. Durch die Bereitstellung einer speziellen Vorrichtung für die korrekte Installation der oberen und unteren Sensorköpfe und zur Reduzierung von Fehlern durch eine Fehlausrichtung der optischen Achse ist eine einfache und hochgenaue Messung möglich.
Dickenmessung der Elektrode nach der Beschichtung
Misst die Dicke der Elektrode. Zur Anpassung der Beschichtungsmenge wird aus den Dicken der beschichteten Elektrode und der Folie selbst die Dicke der beschichteten Elektrode allein berechnet. Durch die Bereitstellung einer speziellen Vorrichtung für die korrekte Installation der oberen und unteren Sensorköpfe und zur Reduzierung von Fehlern durch eine Fehlausrichtung der optischen Achse ist eine einfache und hochgenaue Messung möglich.
Überwachung der Elektrodendicke während der Trocknung
Mit dem CL-V020, der bis 200 °C wärmebeständig ist, können Änderungen der Elektrodendicke im Trocknungsofen erfasst werden. Die Analyse dieser Änderungen zusammen mit der Temperatur des Trocknungsofens und der Fördergeschwindigkeit führt zu Energieeinsparungen.
Elektrodendickenmessung nach der Trocknung
Misst die Elektrodendicke unmittelbar nach der Trocknung mit hoher Genauigkeit. Durch den Vergleich der Elektrodendicke vor und nach dem Pressen ist eine optimale Pressensteuerung möglich. Mit dem CL-S015, der über ein athermisches Design verfügt, ist über einen langen Zeitraum eine stabile Messung möglich, ohne durch Wärme aus dem Trocknungsofen oder von den Elektroden beeinflusst zu werden.
Dickenmessung gestapelter Zellen (Pouch-Typ)
Misst die Dicke von Zellen. Früher wurden Prüfungen mit Kontaktmessgeräten durchgeführt, doch der Wechsel zu einem Laser-Wegmesssensor hat die Messzeit verkürzt und Bedenken hinsichtlich Kratzern am Werkstück beseitigt.
Dickenmessung der Längsseitenversiegelung (Pouch-Typ)
Misst die Dicke des versiegelten Bereichs von Pouch-Zellen. Eine stabile Messung ist möglich, ohne durch Material oder Farbe des Messobjekts oder durch Durchbiegung des Werkstücks beeinflusst zu werden.
Häufig gestellte Fragen zur Dickenmessung von Elektrodenplatten
F Welche Verfahren stehen zur Messung der Dicke von Elektrodenplatten zur Verfügung?
A
Die wichtigsten Verfahren sind Kontaktverfahren (Mikrometer, Dickenmessgeräte), Betastrahlenverfahren (strahlungsbasiert) und berührungslose optische Verfahren mit Laser-Wegmesssensoren. Laser-Wegmesssensoren eignen sich am besten für die schnelle, hochgenaue Inline-Dickenmessung von Elektrodenplatten.
F In welchem Prozess sollte die Dicke der Elektrodenplatten gemessen werden: nach der Beschichtung oder nach dem Walzen?
A
Die Messung in beiden Prozessen wird empfohlen. Nach der Beschichtung wird die Gleichmäßigkeit der Beschichtungsmenge (Schichtdicke) geprüft, und nach dem Walzen (Pressen) werden die endgültige Dicke der Elektrodenplatte und das Erreichen der Zieldichte geprüft. Die Verwaltung beider Datensätze führt zu einem stabilen Betrieb des gesamten Prozesses.
F Welche Genauigkeit ist für die Dickenmessung von Elektrodenplatten erforderlich?
A
Bei Elektrodenfolien für Lithium-Ionen-Batterien wird die Dickentoleranz der Elektrodenplatte nach dem Pressen in der Regel auf etwa ±2 bis 5 μm geregelt. Um dies zuverlässig sicherzustellen, ist für das Messgerät eine Wiederholgenauigkeit von 0,5 μm oder weniger, vorzugsweise 0,1 μm oder weniger, erforderlich.
F Kann die Dicke einer laufenden Elektrodenfolie im Inline-Verfahren gemessen werden?
A
Ja. Durch die Installation von zwei Laser-Wegmesssensoren oberhalb und unterhalb der Elektrodenfolie, sodass die Elektrodenfolie zwischen ihnen liegt, kann die Dicke der Elektrodenplatte während des Transports in Echtzeit gemessen werden. Die Modellreihe CL-3000 unterstützt die Abtastung mit einer Höchstgeschwindigkeit von 10 kHz und ermöglicht so eine zuverlässige Datenerfassung auch auf Hochgeschwindigkeits-Produktionslinien.
F Ist es möglich, von einem Betastrahlen-Dickenmessgerät auf einen Laser-Wegmesssensor umzusteigen?
A
Viele Kunden haben Betastrahlen-Dickenmessgeräte durch Laser-Wegmesssensoren ersetzt. Da die Verwaltung von Strahlungsquellen nicht mehr erforderlich ist, werden die laufenden Kosten und der Aufwand für die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften erheblich reduziert. Eine Nachrüstung bestehender Linien ist ebenfalls möglich.
