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Herausforderung Batteriefertigung

19. Mai 2023, 14:56 Uhr | Gerard White

Die Produktion wiederaufladbarer Batterien ist herausfordernd – und die Inspektion sowohl der einzelnen LIB-Zellen als auch der kompletten Module nicht weniger. Welche Möglichkeiten der Qualitätssicherung gibt es?

Die Nachfrage nach wiederaufladbaren Batterien, allen voran Modellen auf Lithium-Ionen-Basis (LIB), steigt weltweit rasant an. Nach Angaben des Weltwirtschaftsforums werden bis 2030 etwa 60 % des weltweiten Batteriebedarfs auf Personenkraftwagen entfallen. Zusammen mit dem kommerziellen Transport und dem Energiesektor geht eine Studie von Mordor Intelligence davon aus, dass der Weltmarkt für Lithium-Ionen-Batterien im Zeitraum von 2022 bis 2027 mit einer durchschnittlichen jährlichen Rate von rund 20 % wächst und im Jahr 2027 eine Marktgröße von 200 Mrd. US-Dollar erreicht. Den Großteil der Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien werden voraussichtlich Elektrofahrzeuge ausmachen. Frost & Sullivan prognostiziert, dass 2025 zwischen 12 und 15 Mio. Elektrofahrzeuge verkauft werden – dies erfordert eine Verzehnfachung der weltweiten Lithium-Ionen-Batteriekapazität gegenüber dem Jahr 2018.

Der Herstellungsprozess von LIB ist alles andere als trivial: Zunächst müssen einzelne Zellen hergestellt und dann zu Batteriemodulen mit Hunderten von Zellen zusammengesetzt werden. Schon der Ausfall einer einzigen Zelle kann die Demontage eines ganzen Moduls und die Entfernung der defekten Zelle(n) erforderlich machen. Unentdeckte defekte Zellen haben noch schlimmere Auswirkungen, da sie die Ausgangsleistung und die Leistung des gesamten Moduls stark beeinträchtigen oder sogar eine Gefahr darstellen können. Im April 2022 etwa haben die US-Sicherheitsbehörden eine Untersuchung der Batterien von Elektro- und Hybridfahrzeugen eingeleitet, nachdem fünf Autohersteller Rückrufe wegen möglicher Mängel herausgegeben hatten, die Brände oder das Abwürgen von Motoren verursachen könnten. Nach Angaben der National Highway Traffic Safety Administration betraf die Untersuchung mehr als 138.000 Fahrzeuge mit Batterien des südkoreanischen Herstellers LG Energy Solution, die in Fahrzeugen von General Motors, Mercedes-Benz, Hyundai, Stellantis und Volkswagen zum Einsatz kommen.

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Sicherere Batterien durch Inspektion

Da es noch keine Langzeiterfahrungen mit standardisierten Fehlerdetektions- und Fehleranalysegeräten gibt, um die Risiken bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien zu verstehen, spricht vieles dafür, die Qualitätskontrollen an allen einzelnen Zellen vor und nach dem Zusammenbau zu Modulen zu verstärken.

Die erste Sichtprüfung während des Produktionsprozesses von LIB findet bei der Fertigung von Folien statt, die zur Herstellung der Elektroden (Kathoden und Anoden) verwendet werden. Die Qualität und Konsistenz der Folien und ihrer Beschichtungen sind entscheidend für die Funktion und Sicherheit der Zellen: Fremdpartikel, Unebenheiten und Ungleichmäßigkeiten, die sich mit der Zeit durch die Separatorfolie drücken oder reiben, können einen Kurzschluss verursachen, der zu einem katastrophalen Batterieausfall führen kann. In der Regel erfolgt diese Prüfung nach dem Schneiden oder Stanzen. Bei diesen Prozessen können sich Partikel auf der Oberfläche ablagern, bevor die Elektroden gerollt, gefaltet oder gestapelt werden.

Oft sind es nur ein paar dunkelgraue Defekte auf einem dunkelgrauen Hintergrund, die über die Leistung und Lebensdauer einer Batteriezelle entscheiden können. Für die Hersteller ist es wichtig, diese Defekte im Bereich von 50 µm bis hinunter zu 10 µm zu erkennen. Contact Imaging Sensoren werden häufig für eine erste ‚grobe‘ Prüfung verwendet, doch für eine detaillierte Inspektion im weiteren Verlauf vertrauen die Unternehmen auf Zeilenkameras und hochempfindliche TDI-Kameras (Time Delay & Integration), die die erforderliche Auflösung und Empfindlichkeit bieten.

Zu den innovativeren Lösungen für diese Aufgabe zählen Multi-Field-TDI-Kameras, die den zusätzlichen Vorteil bieten, dass sie gleichzeitig Licht aus drei verschiedenen Spektren und Winkeln erfassen und so mehr Bilddaten für die Fehlererkennung und -analyse liefern.

Andere Arten der Bildgebung werden in verschiedenen Phasen der Batteriemontage genutzt. So messen Hochgeschwindigkeits-3D-Laser-Profiler die Form dreidimensionaler Objekte, zum Beispiel die Gleichmäßigkeit des Schweißens einer Kontaktlasche, die Verformung der Lasche und ihre Ausrichtung. Eine schlecht geschweißte Kontaktzunge kann brechen oder einen zeitweiligen Kontaktverlust verursachen.

Flächenkameras werden vor allem bei der Verpackung einzelner Zellen in größere Batterien eingesetzt, wo die Ausrichtung von Hunderten von Zellen im Gehäuse genau kontrolliert werden muss.