Inline-Elementanalyse

Werkstoffe 06. 11. 2022
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Elektroden für Lithiumionenbatterien effizienter produzieren

Bei der Produktion von Elektrodenfolien für Lithiumionenbatterien kommt es oftmals zu Fehlern aufgrund inhomogener Beschichtungen. Die beiden Fraunhofer-Institute IPM und 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 Lithiumionenbatterien in Zukunft kostengünstiger und qualitativ hochwertiger gefertigt werden können.

Die Elektrodenfolien für Lithiumionenbatterien 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, sodass der Binderanteil an einigen Stellen zu gering ist. Dies beeinträchtigt die Haftung der Gesamtschicht.

Ein optisches Inline-Messsystem, das die beiden Fraunhofer-Institute IPM und ISIT im Projekt Q-LIB gemeinsam mit den Firmen VARTA und OWIS entwickelt haben, erlaubt es nun, 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.

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 (kleines Bild). Das System wurde am ISIT in die Laboranlage einer Elektrodenfertigung integriert und getestet (© Fraunhofer IPM)

 

Inline-Messsystem mit LIBS-Technologie

Das Inline-Messsystem basiert auf laserindu­zierter Plasmaspektroskopie (engl. LIBS: laser induced breakdown spectroscopy). LIBS ist ein laserspektroskopisches 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 korrekte Mischungsverhältnis der Bestandteile als auch ­deren homogene Verteilung über das gesamte Elektrodenvolumen detektiert werden. 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-Institut für Siliziumtechnologie ISIT in die Labor­anlage einer Elektrodenfertigung integriert. Dort wurden Elektrodenfolien der VARTA Microbattery GmbH unter realen Produktionsbedingungen erfolgreich vermessen.

Kontakt:

Dr. Carl Basler, Projektleiter Optische Oberflächenanalytik, Fraunhofer IPM,E-Mail: carl.basler@ipm.fraunhofer.de

Dr. Reinhard Mörtel, Wissenschaftlich-technischer Leiter Geschäftsfeld Fab-SH, Fraunhofer ISIT,
E-Mail: reinhard.moertel@isit.fraunhofer.de

 

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