Laserschneiden Ablenkeinheiten für Laserstrahlen optimieren Batteriezellenfertigung

Redakteur: Peter Königsreuther

Batteriezellen funktionieren umso besser, je hochwertiger ihre Elektroden gefertigt werden können. Spezielle Scannersysteme von Raylase können dabei unterstützen.

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Das ist der II-50 von Raylase. Er ist mit seinen Spiegeln für 50 Millimeter Strahlgröße in der Lage, einen kleinen Laserspotdurchmesser auch in großen Prozessfeldern zu erzeugen. Das bringt etwa saubere, gerade Schnittkanten bei Elektrodenfolien – ohne Abbrand.
Das ist der II-50 von Raylase. Er ist mit seinen Spiegeln für 50 Millimeter Strahlgröße in der Lage, einen kleinen Laserspotdurchmesser auch in großen Prozessfeldern zu erzeugen. Das bringt etwa saubere, gerade Schnittkanten bei Elektrodenfolien – ohne Abbrand.
(Bild: Raylase)

Angesichts steigender Rückrufe von E-Fahrzeugen und Batteriesystemen, setzen deutsche Maschinenbauer nun stärker auf Qualität, registriert Raylase. Dazu gehören besonders gute Schnittkanten an den Elektroden für die energiespendenden Batteriezellen. Leider entsprächen die derzeit angewendeten Fertigungsmethoden und Standards für das Schneiden der dafür nötigen Lithium-Ionen-Batteriefolien noch nicht denen der Automobilindustrie. Qualitätsstandards werden momentan erarbeitet, denn von der Qualität hängen sowohl die Güte als auch die Lebensdauer der Zellen ab, sagt Raylase. Die moderne Laserbearbeitung nutzt außerdem effektive Scanner, die die Automobilbranche unterstützen können. Qualitätsstandards nebst produktiver Fertigungstechnik seien also unerlässlich, um das notwendige schnelle Hochlaufen der Zellfertigung zu schaffen.

Laserschneiden ergibt präzisere Elektroden als Stanzprozesse

Derzeit kommen bei der Herstellung der Lithium-Ionen-Batterien drei Zellformate zum Einsatz: Die Pouch-Zelle, die zylindrische Zelle sowie die prismatische Zelle, informiert Raylase. Unabhängig vom Zelltyp, besteht die kleinste Einheit jeder Lithium-Ionen-Zelle aus zwei beschichteten Folien, die als Elektroden (Anode und Kathode) fungieren. Zum einen eine Kupferfolie für die Anode und zum anderen eine beschichtete Aluminiumfolie für die Kathode. Bei der Elektrodenfertigung werden diese Trägerfolien auf großen, als Mutterrollen bezeichneten Systemen mit Elektrodenmaterial beschichtet. Danach werden sie auf Tochterrollen separiert, um die gewünschten Formate der Zellen zu erhalten.

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Die Tochterrollen werden dann am Rand beschnitten beziehungsweise die einzelnen Elektrodenblätter ausgeschnitten. Das können moderne Lasersysteme sehr gut leisten. Und mit einer Laserablenkeinheit gelingt dabei der hochwertige Schnitt an der Beschichtung. Aber auch die jeweiligen Elektrodenfolien können durch Konturschneiden schnell und präzise entstehen, heißt es weiter. Florian Thalhofer ist Entwicklungsingenieur beim Sondermaschinenbauer Sonplas, der mit Raylase-Produkten vertraut ist. Er merkt an: „Wir konzentrieren uns momentan besonders auf die Pouch-Zellen, weil damit die höchste Energiedichte erreicht werden kann.“

Schnell, sauber und konturflexibel muss geschnitten werden können

Um die Produktivität zu erhöhen, wird üblicherweise das Schneiden der Batteriefolien und die Generierung der Einzelelektroden bei laufender Tochterrolle durchgeführt. Dabei gibe es einige technische Probleme zu lösen. Thalhofer kennt die Problematik: „Die eigentliche Herausforderung besteht aus einer Kombination von Problemen. Denn geschnitten wird mit einem Speed von über 1 Meter pro Sekunde, wobei die Elektroden nicht verschmutzt werden dürfen.“ Insbesondere sind Partikeln, die größer als 10 Mikrometer sind, ein Tabu, denn die Separatorfolie kann von ihnen leicht durchstoßen werden, erklärt Thalhofer. Auch brauche es ein System, mit dem man unterschiedliche Geometrien ohne Anlagenumbau bearbeiten könne. Die größten marktüblichen Elektroden benötigten nämlich ein Scanfeld von 700 Millimeter × 700 Millimeter. Dieser hochkomplexe Vorgang, der höchste Präzision bei größter Schnelligkeit erfordert, muss also gleichzeitig anpassbar sein.

Mithilfe der entsprechenden Software und der exakten Berücksichtigung der Bahngeschwindigkeit können Laserablenkeinheiten den Elektrodenschnitt aber positionsgenau und schnell genug durchführen. Und obwohl die Dicke der Folien in der letzten Zeit von 100 auf über 200 Mikrometer gestiegen ist, können die Systeme noch exakt arbeiten, betont Raylase. Denn normalerweise gilt die Regel, dass je dicker die Elektrode ist, umso schwieriger das Schneiden wird. Eine dafür prädestinierte Raylase-Ablenkeinheit trägt den Produktnamen Axialscan-II-50. Geschnitten wird mit dem Laser bekanntermaßen berührungslos und damit verschleißfrei, ruft Wolfang Lehmann, Produktmanager bei Raylase in Erinnerung. Das, so der Spezialist, macht sich nicht nur auf lange Sicht bezahlt.

Weder Grate noch Burnback-Effekte beeinträchtigen das Endprodukt

Sonplast baut und liefert seit gut 30 Jahren maßgeschneiderte Prüf- und Montageanlagen für die Automobilbranche sowie für die Elektronik- und Luftfahrtindustrie. Seit letztem Jahr fokussiert man sich dabei auch auf das Thema „Batterie“ – vor allem auf die Qualität in der Zellfertigung. Thalhofer: „Uns war es unter anderem wichtig, die sogenannte HAZ (Heat affected zone), sprich Wärmeeinflusszone, auf das Material zu verringern.“ Beim Schneiden sollte es also weder zu einem sogenannten Burnback, also dem Abbrand der Beschichtung kommen, noch zu einer Gratbildung. Und auch die Partikelgröße und -anzahl galt es zu minimieren. Der Einsatz des Raylase- Laserscanners schaffe dabei ein sehr gutes Abbildungsverhältnis respektive ein sehr großes Arbeitsfeld bei gleichzeitig minimalem Laserspot. Vor allem bezüglich Geometrie und Größe der Elektroden wird man flexibel, merkt Lehmann an. Durch den hochwertigeren Schnitt bei den Elektrodenfolien erhöht man die Lebensdauer der Batteriezellen. Derzeit arbeitet Sonplas übrigens an der Definition und Optimierung von messbaren Qualitätskriterien mit, also an einem Verfahren zur allgemeinen Beurteilung der Güte von Elektrodenschnitten. In einer Demonstrationsanlage soll dieser Vorsprung für Abnehmer demnächst erfahr- beziehungsweise sichtbar gemacht werden.

Der Erfolg stütze nicht nur das derzeit hochdynamische Wachstum der Batterieproduktion in Europa und vor allem in Deutschland, sondern sei auch ökologisch sinnvoll. Denn die bessere Qualität hilft, die derzeit großen Ausschussraten bei der aktuellen Folien Produktion zu reduzieren. Das ist eine Forderung aller Premium-Markenautobauer, betonen die Protagonisten.

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