Bei der Herstellung von Elektrodenfolien für Lithium-Ionen-Batterien treten häufig Defekte durch inhomogene Beschichtungen auf. Fraunhofer IPM und Fraunhofer ISIT haben gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung ein optisches Inline-Messsystem entwickelt, das die Materialzusammensetzung von Elektrodenfolien quantitativ und mit Tiefenauflösung bestimmt – direkt in der Fertigungslinie. Ziel ist es, Elektroden für Li-Ionen-Batterien kostengünstiger und mit höherer Qualität herzustellen.
Elektrodenfolien für Li-Ionen-Batterien bestehen aus einem aktiven Material (Nickel-Mangan-Kobaltpulver plus Lithium), leitfähigen Additiven und Bindemitteln. Diese Materialien werden als Suspension auf eine Aluminiumfolie aufgetragen und dann zu einer dünnen Schicht mit einer Dicke von etwa 100 μm getrocknet. Es kommt nicht selten vor, dass sich die Bestandteile der Suspension während des Trocknungsprozesses abscheiden, so dass der Bindemittelgehalt an einigen Stellen zu gering ist. Dies beeinträchtigt die Haftung der gesamten Schicht. Fraunhofer IPM und Fraunhofer ISIT haben gemeinsam mit den Unternehmen VARTA und OWIS im Rahmen des Projekts „Q-LIB ein optisches Inline-Messsystem entwickelt. Dieses System hat es ermöglicht, den Beschichtungsprozess bezüglich der Mischung aktiv zu steuern. Dies wiederum reduziert den Abfall in der Produktion und die Anlaufzeit für die Herstellung neuer Rezepturen.
Inline-Messsystem mit LIBS-Technologie
Das Inline-Messsystem basiert auf laserinduzierter Durchbruchsspektroskopie (LIBS). LIBS ist eine Laserspektroskopie-Technik, die verwendet werden kann, um die Zusammensetzung einer Probe in Bezug auf die spezifischen Elemente, die sie enthält, zu bestimmen. Das System zeichnet die Materialverteilung in der Elektrodenfolie punktweise als 3D-Karte auf. Dadurch lässt sich erkennen, ob das Mischungsverhältnis der Komponenten korrekt ist und ob die Komponenten über das gesamte Elektrodenvolumen homogen verteilt sind. Dies wiederum ermöglicht eine Echtzeit-Qualitätskontrolle und Qualitätsregulierung. Die Herausforderung dabei war, die Verteilung nicht nur an der Oberfläche, sondern auch mit Tiefenauflösung innerhalb der gesamten Beschichtung zu messen – bei Produktionsgeschwindigkeiten von rund 20 m/min.
Das Messsystem wurde kürzlich in die Laboranlage einer Elektrodenfertigung am Fraunhofer ISIT integriert. Dort wurden Elektrodenfolien der VARTA Microbattery GmbH unter realen Produktionsbedingungen erfolgreich vermessen.
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