Inline-Dickenmessung von Beschichtungen auf Batteriefolien

Das Beschichtungsmaterial wird meist als Flüssigkeit – »Slurry« genannt – auf Kupfer- oder Aluminiumfolien aufgetragen. Für die optimale Performanz der Batterie muss die Beschichtung in punkto Schichtdicke und Homogenität hohe Anforderungen erfüllen. Bisher setzt die Industrie dabbei Beta- und Röntgen-Strahlung ein, um die Schichtdicken zu ermitteln. Diese haben den Nachteil, dass sie nur die Gesamtdicke, also die Folie mitsamt Beschichtung erfassen und damit Differenzmessungen vor und nach den einzelnen Prozessschritten erfordern. Somit summieren sich die Messfehler im Laufe des Prozesses drastisch auf, zumal nicht immer an derselben Bandposition gemessen wird.

Neue Sensorik macht flexibel

Unsere Terahertz-Technik misst in Reflexion und erfasst so direkt die Dicke der Beschichtung; dabei benötigt sie für eine Messung weniger als fünf Millisekunden. Die neue Sensorik lässt sich flexibel in der Zahl und Position der Messköpfe sowie der Messfrequenz an die jeweilige Aufgabe anpassen. Die Optimierung auf Frequenzen zwischen 50 GHz und 1 THz, Frequenzstabilisierung durch bessere Treiberelektronik und angepasster Signalverarbeitung ermöglicht präzise Dickenmessungen an dünnen stark absorbierenden sowie elektrisch leitfähigen Schichten.

Während sich Kathoden durch eine geringe Leitfähigkeit auszeichnen, zeigen Anoden hingegen eine deutlich größere Leitfähigkeit, was die Messbarkeit erschwert. Mit unseren, speziell für diese Anwendung optimierten photonischen Terahertz-FMCW Systemen sind wir dennoch in der Lage, präzise Informationen der einige 10 μm dicken Folien zu generieren.

Es gibt eine Reihe von Stufen im Produktionsprozess sowohl von Kathoden als auch von Anoden, in denen Terahertz-Sensoren eine Rolle bei der Prozesssteuerung und der Verringerung des Ausschusses spielen können (siehe Abbildung). Eine optimale Inline-Konfiguration könnte die Beschichtungsdicke messen und diese Parameter zur Steuerung der Beschichtungsgeschwindigkeit und des Spalts rückkoppeln. Von zusätzlichem Wert sind diese Messungen sowohl vor als auch nach dem Trocknen und dem Kalendern (Verdichten). Die mit Terahertz gemessenen Schichtdicken an den unterschiedlichen Prozessschritten sind somit die entscheidenden Faktoren für die Regelung und Optimierung des Beschichtungsprozesses.

Demonstration der Inline-Schichtdickenmessung

Die Terahertz-Messtechnik hat sich erfolgreich an einer industriellen Rolle-zu-Rolle-Beschichtungsanlage im Zentrum für digitalisierte Batteriezellproduktion des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart bewährt.

Diese Beschichtungsanlage verfügt bereits über laserbasierte und kapazitive Abstandssensoren zur indirekten Schichtdickenmessung – sowohl im nassen (L1 / C1) als auch im trockenen Zustand (L2 / C2), welche bisher typischerweise für diese Anwendung zum Einsatz kommen. Durch die zusätzliche Integration eines Terahertz-Sensors lassen sich die verschiedenen Messmethoden direkt während der Beschichtung vergleichen.

Im Feldversuch wurden rund 22 Meter Folie mit Lithium-Eisenphosphat (LFP) beschichtet – einem häufig verwendeten Kathodenmaterial. Durch die Anpassung der Pumpleistung an der Schlitzdüse sowie des Düsenabstands zur Folie lässt sich die Schichtdicke gezielt variieren. Kurzfristige Änderungen dieser Parameter können jedoch zu Filmabrissen oder starken Inhomogenitäten führen, was die Ausreißer im Messverlauf erklärt.

Die gesamte Beschichtung lässt sich in sieben Phasen einteilen:

• Die erste und siebte Phase: Folie unbeschichtet
• Phase Zwei bis Sechs: Auftrag von LFP mit unterschiedlicher Schichtdicke

Es fällt auf, dass die Messungen an L2 und C2 im Verlauf der Messungen driften und zum Ende der Messreihe (Phase Sieben) eine deutliche Abweichung von ca. -20µm zeigen. Dieser unkontrollierte Drift stellt ein häufiges und kritisches Problem bei indirekten Messverfahren dar. Im Vergleich dazu erklärt sich die Abweichung zur Terahertz-Messung, da diese als direkte Methode keine erneute Referenzierung erfordert. Die Änderungen der Schichtdicken zwischen den Phasen sind dabei deutlich erkennbar.

Durch die anschließende Kalandrierung (Verdichtung) der Folie wird die Oberflächenrauheit verringert, und die elektrischen Eigenschaften der Kathode verbessern sich. Auch die Schichtdicke nimmt durch diesen Prozess ab.

Mehrere Hersteller arbeiten bereits an der Trockenbeschichtung von Batteriefolien, um den Trocknungsprozess zu verkürzen. Dadurch wird eine signifikante CO2-Reduktion erreicht, was die Umweltbilanz des Produktionssprozesses verbessert. Besonders vorteilhaft ist hier der Einsatz der Terahertz-Messtechnik, da Beta- und Röntgenstrahlung aufgrund der Prozessanforderungen nicht genutzt werden können.

Vorteile unserer Messungen

• Anoden und Kathoden messbar
• Einsatz im Trocken- und Nassprozess möglich
• Produktion kontinuierlich überwachen
• Produktqualität sicherstellen

Technische Spezifikationen

• berührungslos und zerstörungsfrei
• Messbereich von 10 μm bis 300 μm
• Messrate bis zu 1 kHz
• Reproduzierbarkeit besser 1 μm