Grüne Revolution Wie Bildverarbeitung die Zukunft der Lithium-Ionen-Batterien sichert

Während die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien mit ihren Elektrodenschichten und einem Elektrolyt-Lösungsmittel konzeptionell einfach sein mag, ist der tatsächliche Prozess relativ kompliziert und sensibel. Die Qualitätskontrolle der Prozesse übernehmen dabei hochempfindliche Vision-Systeme.

Das Elektrofahrzeug schlechthin, das Tesla Model S, verwendet mehr als 7600 Lithium-​Ionen-Batteriezellen. Diese Art der Batterie­nutzung wird vielleicht schon bald als alt­modisch gelten. Der Übergang zu grüner Energie wird in den kommenden Jahrzehnten entsprechende Steigerungen der Batterieproduktion und -innovation erfordern. Nach aktuellem Stand der Technik werden Lithium-Ionen-Batterien in naher bis mittlerer Zukunft das Arbeitspferd einer grünen Energierevolution darstellen und Strom für fast alles speichern, von Elektrofahrzeugen und eventuell Flugzeugen bis hin zu Wohn- und Geschäftsgebäuden.

Lithium-Ionen-Batterien gibt es in drei Formen: zylindrisch, taschenförmig und prismatisch. Ihr Smartphone hat wahrscheinlich eine taschenförmige Batterie, während die meisten Haushaltsgeräte mit zylindrischen Batterien arbeiten.

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Die Batterieproduktion wird derzeit weltweit hochgefahren. So beendete Tesla 2015 den Bau seiner berüchtigten ersten «Gigafactory» für die Produktion von Batteriezellen im amerikanischen Ort Sparks. Eine weitere Tesla-Gigafabrik, die hauptsächlich mit Solarstromspeichern arbeitet, wurde 2017 in Buffalo im Bundestaat New York eröffnet. Das Unternehmen plant, in den kommenden Jahren in Berlin und Austin zwei weitere Fabriken in Betrieb zu nehmen. Das europäische Batterieunternehmen Northvolt hat in seiner Gigafabrik in Schweden bereits im Jahr 2021 mit der Produktion von Batterien begonnen.

Der Übergang zu grüner Energie bietet zahlreiche Chancen für einen neuen Sektor der Weltwirtschaft. Das verarbeitende Gewerbe wird davon profitieren, wenn die Nachfrage nach Solarzellen und Batterien steigt, und wie bei jeder neuen technologischen Entwicklung wird sich ein industrielles Ökosystem entwickeln, das Wachstum und Produktion unterstützt. Die Lithium-Ionen-​Batterie steht an der Spitze einer ökologischen und wirtschaftlichen Revolution.

Wie Lithium-Ionen-Batterien hergestellt werden

Trotz ihrer Bedeutung sind Lithium-Ionen-​Batterien konzeptionell einfache Produkte. Sie bestehen aus abwechselnd übereinandergestapelten Kathoden- (positive Ladung) und Anoden-Elektrodenschichten (negative Ladung), wobei zwischen jeder Schicht eine Trennschicht liegt. Ein flüssiger oder fester Elektrolyt wird beigemischt, um die Energieübertragung zwischen den Kathoden- und Anodenschichten zu erleichtern.

Die Kathodenschichten werden in der Regel aus Aluminiumfolie hergestellt, während Anodenschichten aus Kupferfolie gefertigt werden. Danach werden die Elektroden mit spezifischen Materialien beschichtet, um die Leitfähigkeit, Effizienz und Bindung zu verbessern. Diese aktiven Materialien bestimmen die Kapazität, die Spannung und die Eigenschaften einer bestimmten Lithium-Ionen-Batterie. Als aktive Materialien für Kathoden kommen häufig Lithiumkobaltoxid, Lithiummanganatoxid oder Lithiumeisenphosphat zum Einsatz. Anoden sind in der Regel mit einer Art Kohlenstoffmaterial beschichtet, zum Beispiel mit Graphit oder Li­thiumtitanit. Die gemischten Materialien werden mit Hilfe von Bindemitteln auf der Folie fixiert, und Lösungsmittel fördern die Vermischung der Materialien in der Aufschlämmung, bis sie für die Beschichtung der entsprechenden Folien bereit sind. Darüber hinaus enthält eine Kathode ein leitfähiges Element, um den Innenwiderstand zu verringern und die Leitfähigkeit innerhalb der Zelle zu erhöhen.

Die Trennschichten zwischen den Elektroden werden aus porösem Polyolefin-Folienmaterial hergestellt, das mit einer Aramid-​Beschichtungsflüssigkeit aufgetragen und dann zugeschnitten wird. Sobald die geschichteten Elektroden fertig sind, werden sie in das Batteriegehäuse in einem der drei wichtigsten Formate, nämlich zylindrisch, taschenförmig und prismatisch, eingesetzt. Je nach Form und Spezifikation der Batterie enthält das Gehäuse externe Plus- und Minuspole zum Anschluss an das zu versorgende Gerät, eine Isolierschicht zwischen dem Gehäuse und den Elektrodenschichten, eine Dichtung, eine Entgasungsöffnung und andere Elemente. Während die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien mit ihren Elektrodenschichten und einem Elektrolyt-Lösungsmittel konzeptionell einfach sein mag, ist der tatsächliche Prozess relativ kompliziert und sensibel. Die Dicke der Beschichtungen auf den Elektroden kann einen erheblichen Einfluss auf die Leistung oder sogar die Stabilität einer Batterie haben.

Qualitätssicherung in der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien

Zeilenkameras können – gegebenenfalls mit Unterstützung von Machine-Learning-Algorithmen – dazu beitragen, die Qualitäts­sicherung während der Herstellung von Li­thium-Ionen-Batterien zu automatisieren und zu rationalisieren. Zeilenkameras sind Kameras, die an einer Produktionsstrasse angebracht werden können, um die Produktion von Endlosmaterialien zu überwachen, während sie den Fertigungsprozess durchlaufen. Zeilenkameras eignen sich daher gut für die Inspektion von Elektrodenschichten, da diese mit hoher Geschwindigkeit von grossen Spulen durch den Beschichtungs- und Stapelprozess laufen.

Die Laserprofilerstellung mit Inspektionskameras kann den gesamten Herstellungsprozess von Lithium-Ionen-Batterien abdecken. Die Kameras können die Dicke der Elektroden und der Beschichtung messen, nach Oberflächenfehlern wie Dellen, Kratzern oder verbogenen Kanten suchen, die Abmessungen von Batteriegehäusen für zylindrische oder taschenförmige Batterien prüfen und die Qualität der Schweissnaht am externen Terminalkontakt der Batterien überwachen.

Bildverarbeitungslösungen für effektive Prüfprozesse

Teledyne Dalsa ist Teil der Teledyne Vision Solutions Gruppe und Anbieter von digitalen Bildverarbeitungskomponenten für die industrielle Bildverarbeitung. Teledyne-Dalsa-​Bildsensoren, -Zeilen- und Flächenkameras, -Smart-Kameras, -Framegrabber, -Software und -Bildverarbeitungslösungen bilden das Herzstück von Tausenden von Inspektions­systemen weltweit und werden in verschiedenen Branchen eingesetzt, einschliesslich der Inspektionsprozesse bei der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien. «Wir liefern unsere Produkte an grossvolumige Hersteller von Sekundärbatterien auf dem nordamerikanischen und europäischen Markt, aber es gibt eine Konzentration von Kunden auf dem asiatischen Markt – hauptsächlich in China und Südkorea», sagt Inder Kohli, Senior Product Manager bei Teledyne Dalsa. «In Europa sind viele neue Unternehmen entstanden, die noch daran arbeiten, sich zu bedeutenden Akteuren in diesem Bereich zu entwickeln. Wir stehen erst am Anfang dessen, was sich hoffentlich zu einem bedeutenden Geschäftsfeld für paneuropäische Auto­mobilhersteller entwickeln wird.»

Die grösste Herausforderung bei vielen Elektrodenprüfaufgaben ist die Geschwindigkeit der Prozesse und die Notwendigkeit, immer kleinere Defekte zu erkennen. Die eingesetzte Kamera muss in der Lage sein, mit der Produktionsgeschwindigkeit der Maschinen Schritt zu halten, und daher eine hohe Zeilenrate aufweisen. Gleichzeitig muss sie über eine ausreichende Empfindlichkeit verfügen, um kurze Belichtungszeiten zu ermöglichen, und genügend Pixel besitzen, um ein möglichst grosses Sichtfeld abzudecken. «Aus diesem Grund sind unsere Linea-8K- und -16K-Zeilenkameras mit Camera-Link-​Schnittstelle eine beliebte Wahl in dieser Branche. Bei langsameren Linien und Prozessen dominieren unsere Linea-GigE-Kameras, aber auch die Flächenkameras Linea 4K und Genie Nano 2MP werden für verschiedene Inspektionsaufgaben bei der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt», erläutert Kohli.

Zusätzlich zu den verschiedenen Inspektionsaufgaben, die mit dem Elektrodenherstellungsprozess verbunden sind, wie zum Beispiel die Inspektion nach der Beschichtung, nach dem Kalandrieren und nach dem Schlitzen und Trennen, können weitere Bildverarbeitungslösungen zu wirtschaftlichen Prozessen beitragen, zum Beispiel beim Laminieren, Wickeln, Einsetzen und Verschliessen von Gehäusen, beim Versiegeln und Sortieren sowie bei den Verpackungsprozessen am Ende einer Linie. Mit einem breiten Portfolio an Bildverarbeitungskomponenten einschliesslich der erforderlichen Framegrabber, Schnittstellen und Softwarelösungen ist Teledyne Dalsa gut gerüstet, um leistungsfähige Inspektionslösungen für die Lithium-​Ionen-Batterieproduktion zu ermöglichen.

«Durch die Kombination unserer hochempfindlichen Zeilensensortechnologie in einem kompakten und industrieerprobten Gehäuse mit unseren Framegrabbern (beim Einsatz von Camera Link) und unserer Sapera Software Suite erhalten unsere Kunden hochpräzise, robuste und zuverlässige Bildverarbeitungssysteme, die für den Dauer­einsatz in dieser rauen Umgebung ausgelegt sind», so Kohli. «Die Kombination dieser Hardware und Software zu einem sehr günstigen Preis bedeutet, dass unsere Kunden einen sehr schnellen Return on Investment erzielen, wenn sie Teledyne Dalsa für ihre Batterieinspektion wählen.»

Das Wachstumspotenzial von Lithium- Ionen-Batterien

Als Anhaltspunkt für die Wachstumsrate bei Lithium-Ionen-Batterien wird häufig die Anzahl der verkauften Elektrofahrzeuge im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungs­motor herangezogen. Es wird erwartet, dass der Anteil der Elektrofahrzeuge an den Fahrzeugverkäufen bis 2025 10 Prozent erreichen wird und dann bis 2030 auf 28 Prozent und bis 2040 auf 58 Prozent ansteigt. Kalifor­nien – der bevölkerungsreichste Bundesstaat der USA und eine der grössten Volkswirtschaften der Welt – hat sich beispielsweise zum Ziel gesetzt, dass bis zum Jahr 2035 alle in diesem Bundesstaat verkauften Neuwagen und Personenkraftwagen emissionsfrei sein sollen.

Die Hersteller müssen sich darauf vorbereiten, die kommende Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien befriedigen zu können. Der Einsatz von Zeilenkameras, Laserprofilsensoren und maschinellem Lernen wird den Herstellern dabei helfen, Qualitätssicherung und Effizienz in der Lithium-Ionen-Batterie-​Produktion zu optimieren.

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