Autoren: Susanne Hillmann | Andrea Gaal

Batteriefertigung – wo können wir besser werden?

04. Februar 2021

Sicherlich haben auch Sie sich schon gefragt, ob Batterien für die E-Mobilität auch wirklich sicher sind; vor allem, wenn sie sich in Ihrem eigenen Auto befinden. Um die Qualitätssicherung zukünftig schneller und effizienter durchzuführen, entwickeln wir Röntgen- und Thermographiesysteme mit denen einzelne Batteriekomponenten bereits während der Herstellung geprüft werden können.

Mit Batteriezellen ist in Fahrzeugen eine Technologie integriert, die aus vielen Schichten sehr dünner Funktionselemente besteht. Diese sind verschiedensten Belastungen durch unsere Umwelt und Infrastruktur ausgesetzt – dazu zählen Stöße, Schwingungen, Feuchtigkeit oder Temperaturwechsel. Um eine sichere Funktion der Batterie zu gewährleisten, müssen produktionsbedingte Beschädigungen der Funktionselemente ausgeschlossen werden. Voraussetzung dafür ist, dass zu verschiedenen Zeitpunkten im Herstellungsprozess geprüft wird.

 

Herstellung der Batteriekomponenten

Eine Batterie ist schichtartig aus mehreren Batteriezellen zusammengesetzt. Jede Batteriezelle besteht dabei aus Anode, Kathode und einer Trennschicht, dem Separator. Die Grundstoffe für die einzelnen Schichten werden zu Pasten verarbeitet und auf Trägerfolien aufgetragen. Diese werden anschließend gewalzt und getrocknet, ehe sie zu Stapeln, den Batteriezellen zusammengefügt werden.

Laden eines Elektroautos: Leistung und Lebensdauer von Batterien tragen wesentlich zu Erfolg und Akzeptanz von Elektrofahrzeugen bei.
© Mikes Photography | pixabay.com
Leistung und Lebensdauer von Batterien tragen wesentlich zu Erfolg und Akzeptanz von Elektrofahrzeugen bei.
Herstellung einer Lithium-Batterie-Elektrode.
© Fraunhofer IKTS | Jürgen Lösel
Herstellung einer Lithium-Batterie-Elektrode
Batterie-Testzelle.
© Fraunhofer IKTS | Jürgen Lösel
Batterie-Testzelle.

Prüfung bereits während der Herstellung

Bisher werden die Batteriezellen hauptsächlich am Ende des Herstellungsprozesses geprüft. Das heißt, die fertige Batterie wird auf Dichtheit und elektrische Performance getestet.

Da die Herstellung der Batteriekomponenten recht ressourcen- und energieintensiv ist, lohnt es sich, möglichst frühzeitig im Fertigungsprozess zu prüfen. So können defekte Teile bereits vor der weiteren Bearbeitung gefunden und aussortiert werden.

Hier setzen wir ein: Unsere Idee ist es, die Einzelteile der Batterie – speziell die Batteriefolien – bereits während der Herstellung auf Defekte zu prüfen. Mit der zerstörungsfreien Bauteilprüfung können grundsätzlich alle hergestellten Komponenten einer Serie geprüft werden; nicht nur Stichproben. Dies erhöht die Produktsicherheit.

 

Röntgen- und Thermographieverfahren prüfen zerstörungsfrei

Die Röntgentechnik und die Thermographie arbeiten sehr schnell, berührungslos und können relativ problemlos in den Herstellungsprozess der Batteriefolien integriert werden. Erste Versuche zeigen, dass beide Verfahren das Potenzial haben, eine Vielzahl von Fehlern und Inhomogenitäten sicher zu detektieren. Derzeit untersuchen wir, welche Defekte sich jeweils in welcher Qualität nachweisen lassen und welche Aussagen für die Bewertung des Prozesses relevant sind.

Obwohl beide Verfahren sehr ähnlich arbeiten und auch ähnliche Ergebnisbilder liefern, weisen sie verschiedene Defekte nach (siehe Bilder). Es zeichnet sich jedoch ab, dass die Ergebnisse jedes Verfahrens für sich genommen nicht aussagekräftigt genug sind. Hier wird eine Überlagerung der Bilder (Datenfusion) aus beiden Verfahren weitere Erkenntnisse bringen.

Die Röntgentechnik liefert mit der einfachen Durchstrahlung der dünnen Batteriefolien Hinweise auf Fehler wie dünne Risse (A) oder zu große Agglomerate (B). Mit Thermographie detektierte Fehler sind Fischaugen (C) oder verschieden große Agglomerate in der Folie (D).
© Fraunhofer IKTS
Die Röntgentechnik liefert mit der einfachen Durchstrahlung der dünnen Batteriefolien Hinweise auf Fehler wie dünne Risse (A) oder zu große Agglomerate (B). Mit Thermographie detektierte Fehler sind Fischaugen (C) oder verschieden große Agglomerate in der Folie (D).

 

Konzepte zur Integration in den Trocknungskanal

Aktuell arbeitet unser Projektteam intensiv daran, beide Verfahren für die Prüfung von Batteriefolien zu optimieren, für die Inlineprüfung zu qualifizieren und Auswertealgorithmen zu entwickeln. Erste Prototypen der Mess-Stationen werden aufgebaut und sind bereits verfügbar. Neben umfangreichen Messungen und Auswertungen stehen die Demonstratoren auch externen Interessenten zur Verfügung. 

© Fraunhofer IKTS
Konzept zur Integration der Radiographie und Thermographie in den Trocknungskanal nach der Beschichtung der Batteriefolien.

 

Weitere Anwendungsmöglichkeiten der Röntgentechnik

Neben der Prüfung der Batteriefolien im Herstellungsprozess bietet sich die Röntgentomographie für weitere interessante Einsatzmöglichkeiten an. So lassen sich beispielsweise Batterien zerstörungsfrei prüfen, die bereits aus ihren Einzelkomponenten zusammengefügt sind. Bei dieser abschließenden Prüfung lässt sich feststellen, ob alle Einzelteile defektfrei sind und korrekt verbunden wurden.

Auch wenn die Batterie schließlich ausgetauscht werden muss, kann die Röntgentomographie eingesetzt werden. Eine sogenannte Post-Mortem-Analyse liefert wichtige Erkenntnisse zum Alterungs- und Defektverhalten der Batterie. Diese Ergebnisse können dann für die Optimierung der eingesetzten Materialien und Komponenten verwendet werden.

Röntgentomographie einer zylindrischen Batteriezelle.
© Fraunhofer IKTS
Röntgentomographie einer zylindrischen Batteriezelle.
Das röntgentomographische Schnittbild zeigt Verbindungsstellen innerhalb zylindrischer Batteriezellen.
© Fraunhofer IKTS
Das röntgentomographische Schnittbild zeigt Verbindungsstellen innerhalb zylindrischer Batteriezellen.
Auf der röntgentomografischen Aufnahme des Schnittbilds defekter Pouchzellen erkennt man deutlich die Zerstörung an den einzelnen Folien.
© Fraunhofer IKTS
Auf der röntgentomografischen Aufnahme des Schnittbilds defekter Pouchzellen erkennt man deutlich die Zerstörung an den einzelnen Folien.