elektrodenherstellung für Batteriezellen

Schneiden von Elektrodenfolien

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.

Grafik Funktionsprinzip-Lithium-Ionen-Batteriezelle

Optimaler Laserschnitt an Elektrodenfolien

Vorher 

Laserschnitt an Elektrodenfolien - Vorher

Nachher

Laserschnitt an Elektrodenfolien - Nachher

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.“

Laserschnittkante einer Kathode - Vorher
Laserschnittkante einer Kathode - Nachher

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

Auf Schnelligkeit, Sauberkeit und Flexibilität kommt es an

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.

Verschleißfrei, positionsgenau in unübertroffener Geschwindigkeit

Mit Hilfe der entsprechenden Software und der exakten Berücksichtigung der Bahngeschwindigkeit können Laser-Ablenkeinheiten den Elektrodenschnitt positionsgenau in herausragendem Tempo durchführen. Dabei tragen sie auch der in letzter Zeit gestiegenen Dicke, von 100 auf über 200 µm und damit der mechanischen Sensibilität der Elektroden Rechnung. Denn je dicker die Elektrode, umso schwieriger ist das Schneiden. Der AXIALSCAN-II 50 bietet hier genau das qualitativ hochwertige Verfahren, das im Vergleich zu mechanischen Stanzwerkzeugen enorme Vorteile bringt. Berührungslos und damit verschleißfrei, arbeitet der Laser zudem auf lange Sicht günstiger.

Sonplas Software-Ingenieur Manuel Streifeneder am Rolle-zu-Rolle- Demonstrator: Dieses Verfahren kommt beim Schneiden von Elektrodenblättern zum Einsatz. Dabei werden die Elektroden-Folien abgewickelt, mit dem Laser zugeschnitten und wieder aufgewickelt oder vereinzelt gestapelt.

Sonplas Software-Ingenieur Manuel Streifeneder am Rolle-zu-Rolle- Demonstrator

Sonplas Software-Ingenieur Manuel Streifeneder am Rolle-zu-Rolle- Demonstrator: Dieses Verfahren kommt beim Schneiden von Elektrodenblättern zum Einsatz. Dabei werden die Elektroden-Folien abgewickelt, mit dem Laser zugeschnitten und wieder aufgewickelt oder vereinzelt gestapelt.

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.

AXIALSCAN II-50

RAYLASE AXIALSCAN II-50

Der AXIALSCAN II-50 ist mit seinen Spiegeln für 50 mm Strahlgröße in der Lage, einen herausragend kleinen Laserspotdurchmesser auch in großen Prozessfeldern zu erzeugen. Dies dient einer sehr sauberen und geraden Schnittkante der Elektrodenfolie ohne Abbrand. Die besonders leichten, aber steifen Ablenkspiegel ermöglichen zudem eine hohe Dynamik, um auch 90°-Richtungsänderungen beim Schneiden der Folien ohne Schweißperlen präzise, und ohne Gratbildung, und ohne Abbrand auszuführen.

Mehr Erfahren

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.

Oberbayern meets Niederbayern

Firmengelände der Sonplas GmbH

„Der Einsatz des Laserscanners ermöglicht uns ein sehr gutes Abbildungsverhältnis bzw. ein sehr großes Arbeitsfeld bei gleichzeitig kleiner Laserspotgröße. Vor allem bezüglich Geometrie und Größe der Elektroden besteht hier höchste Flexibilität.“

RAYLASE arbeitet eng mit einigen Maschinenbauern der Automobilindustrie zusammen. Im Bereich Folienschneiden für die Batteriezellfertigung besteht aktuell eine enge Kooperation mit dem Straubinger Unternehmen Sonplas GmbH. Das niederbayerische Unternehmen mit über 300 Mitarbeitern und 60 Prozent Ingenieursanteil bietet seit fast drei Jahrzehnten Planung, Montage, Service von Sondermaschinen und Prüftechnik für die Automobil- und Luftfahrtindustrie an. Insbesondere für die Bereiche Elektromobilität, Wasserstoff, hydroerosives Schleifen, Kraftstoffeinspritzung, Elektronik, Mechatronik und Hydraulik setzt die hauseigene Forschungs- und Entwicklungsabteilung immer wieder neue Standards.

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.

 

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Wolfgang Lehmann

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