Jede Zelle zählt: Präzise Mess­technik als Antwort auf den Batterie­mangel

Eine gute Nachricht für den Planeten: Der Markt für Elektroautos aller Art boomt derart, dass Batteriehersteller Schwierigkeiten haben, mit der Nachfrage Schritt zu halten.

Der Bedarf an Lithium-Batterien aller Größen für eine wachsende Anzahl von Anwendungen übersteigt bereits das Angebot. Daher zählt jede Batterie, ebenso wie jede Sekunde, die ihrer Herstellung gewidmet ist. Weltweit laufen die Produktionsstätten bereits auf Hochtouren. Doch selbst mit dem Hinzukommen weiterer Gigafabriken wird das Angebot voraussichtlich für den Rest des Jahres 2023 sehr knapp bleiben, und die Nachfrage wird bis mindestens Ende des Jahrzehnts das Angebot weiterhin übersteigen.

Daher gilt es, die Produktionslinien zu optimieren und Ausfallzeiten auf ein Niveau zu reduzieren, das bis vor kurzem unerreichbar zu sein schien.

Die Produktion von Batterien, sei es für Fahrzeuge oder Energiespeicher, ist ein hochkomplexer Prozess. Auch kleinste Handhabungs- oder Montagefehler können zu Qualitätsproblemen führen, die Massenrückrufe nach sich ziehen können.

Besonders entscheidend sind dabei die fragilen Metallfolien, die den Kern der Batterien bilden. Sie müssen über die gesamte Fertigung äußerst sorgfältig behandelt werden. Jede Produktionsphase wie Beschichtung, Trocknung, Kalandrieren, Spalten und Zellmontage kann ohne genaue Überwachung beeinträchtigt werden. Wenn beispielsweise der Bahnzug der Produktionslinie von Anfang an zu hoch ist, besteht ein erhebliches Risiko, dass die Batteriefolie reißt. Ebenso kann ein zu geringer Bahnzug zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Schlämme auf dem Metallsubstrat führen, was die Batterieleistung beeinträchtigt und Sicherheitsprobleme verursacht.

Mit den nun beschichteten Elektrodenfolien, die mit Geschwindigkeiten von bis zu 80 m/min durch beheizte Kammern mit einem Temperaturprofil von 50 °C bis 160 °C laufen, muss der  Folien-Bahnzug sowohl vor als auch nach dem Trocknen genau gemessen werden, um Brüche zu vermeiden. Die gemeinsame Herausforderung für viele herkömmliche Messsysteme besteht darin, die Folien-Spannung konsistent und genau bei solch erhöhten Temperaturen zu überwachen.

Geht alles gut mit Beschichtung und Trocknung, so werden die Kupfer- oder Aluminiumfolien zwischen einem Paar rotierender Druckwalzen für das „Kalandrieren“ auf 100 m/min beschleunigt. Dies  verdichtet die aufgetragenen Beschichtungen, um eine gleichmäßige Dicke zu gewährleisten und die Porosität zu reduzieren. Solch ein Prozess erfordert eine genau definierte Linien-Kraft von bis zu 2.500 N/mm. Auch hier kann eine zu hohe Verdichtungskraft zwischen den Walzen dazu führen, dass das Substrat und seine Beschichtung unter Spannungsrissen leiden.

Nach dem Kalandrieren wird jede Folienrolle mit rotierenden Messern oder einem Laser in schmalere Rollen geschnitten. Dieser „Spaltungsprozess“ erfordert noch höhere lineare Geschwindigkeiten von bis zu 150 m/min. Dabei ist es entscheidend, den genauen Bahnzug bei diesen Geschwindigkeiten aufrechtzuerhalten, um eine gleichbleibende Qualität zu gewährleisten.

Schließlich ist der Bahnzug auch entscheidend, um eine ordnungsgemäße Ausrichtung während der endgültigen Batteriezellenmontage sicherzustellen.

Für die Montage zylindrischer Batterien ist das Wickeln erforderlich. Dieser Prozess beruht sowohl auf genauer Ausrichtung als auch auf der Kontrolle des Bahnzuges. Eine alternative Montagetechnik ist das Stapeln. Ähnlich wie beim Wickeln ist auch diese Methode auf die genaue Kontrolle von Ausrichtung und Bahnzug während des gesamten Prozesses angewiesen.

Die Messgeräte in der Batterieproduktion sind einer Vielzahl von physischen Kräften und oft auch Temperatur-Extremen ausgesetzt. Dennoch müssen sie absolut präzise funktionieren. Die Kalibrierung und Überprüfung der Messgeräte sorgen in vielen Fabriken allerdings immer noch für lange Ausfallzeiten, weil dafür oftmals ganze Produktionslinien angehalten werden müssen.

Angesichts der rapide steigenden Nachfrage nach Batterien sollten dennoch möglichst alle verfügbaren Produktionslinien durchgängig am Laufen gehalten werden. Dieses Problem kann mit Geräten gelöst werden, die lange Zeit ohne Drift oder Kalibrierungsverlust funktionieren.

Basierend auf der magnetoelastischen Messgebertechnologie benötigen Pressductor®-Kraftmessgeber von ABB keine physische Bewegung im Messgeber. Dies ermöglicht es ihnen, Vibrationen, Schocks und Überlastungen zu widerstehen, die andere Sensortypen beeinflussen. Sie sind auch unempfindlich gegenüber Schmutz und Emulsionen

So lässt sich die Notwendigkeit häufiger Neukalibrierungen beseitigen und die Messgenauigkeit über lange Zeiträume aufrechterhalten, was die Unterbrechungen der Produktion stark reduziert.

ABB-Stressometer und -Dickenmessgeräte bieten dieselben Vorteile. Beide Gerätebereiche wenden sehr stabile Messverfahren an, die Neukalibrierungen überflüssig machen und sich nicht von externen Störungen wie Vibrationen und Umgebungstemperaturen beeinflussen lassen.