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Für den optimalen Laserschnitt an Elektrodenfolien

  • Technik
Sonplas Software-Ingenieur Manuel Streifeneder am Rolle-zu-Rolle- Demonstrator: Dieses Verfahren kommt beim Schneiden von Elektrodenblättern zum Einsatz. Dabei werden die Elektrodenfolien abgewickelt, mit dem Laser zugeschnitten und wieder aufgewickelt oder vereinzelt gestapelt. Foto: Sonplas

So erhöhen Laser-Ablenkeinheiten die Qualität beim Schneiden von Elektrodenfolien für Batteriezellen.

Mit Hilfe moderner Lasertechnologie lassen sich Elektrodenfolien, wie sie insbesondere in Batteriezellen moderner Elektroautos zum Einsatz kommen, mit besonders hoher Qualität schneiden. Es gilt, besonders gute Schnittkanten bei der Elektrodenerstellung für Batteriezellen zu erreichen um somit bei der Qualität der internationalen Konkurrenz, allen voran dem Wettbewerb aus Asien, einen Schritt voraus zu sein. Leider entsprechen die derzeit in den Zellfabriken angewendeten Fertigungsmethoden und Standards für Lithium-Ionen-Batteriefolien noch nicht denen der Automobilindustrie.

Der Axialscan II-50 von Raylase ist mit seinen Spiegeln für 50 mm Strahlgröße in der Lage, einen kleinen Laserspotdurchmesser auch in großen Prozessfeldern zu erzeugen. Foto: Raylase

Von der Steigerung der Qualität hängen aber Güte und Lebensdauer der Zellen ab. Diese zu erreichen, liegt also im Interesse der Autobauer, so dass Rückrufaktionen von E-Autos bald der Vergangenheit angehören. Die moderne Lasertechnologie mit ihren hochinnovativen Scannern macht dies möglich. Gemeinsam mit ambitionierten Maschinenbauern werden die dringend benötigten Qualitätsstandards für den Automotive-Bereich derzeit geschaffen. Sie helfen, das notwendige schnelle Hochlaufen der Zellfabriken zu gewährleisten.

Optimaler Laserschnitt an Elektrodenfolien

Derzeit kommen bei der Herstellung der Lithium-Ionen-Batterien in der Elektromobilität drei Zellformate zum Einsatz: Die Pouch-, die zylindrische sowie die prismatische Zelle. Unabhängig vom Zelltyp, besteht die kleinste Einheit jeder Lithium-Ionen-Zelle aus zwei beschichteten Folien, den Elektroden. Zum einen eine Kupferfolie für die Anode und zum anderen eine beschichtete Aluminiumfolie für die Kathode. Bei der Elektrodenfertigung werden diese Trägerfolien auf großen, sogenannten Mutterrollen mit Elektrodenmaterial beschichtet. Und anschließend auf Tochterrollen separiert, um die gewünschten Formate der Zellen zu bekommen.

Als nächster Schritt werden die Tochterrollen am Rand beschnitten bzw. die einzelnen Elektrodenblätter ausgeschnitten. Dabei bringen moderne Laser-Systeme deutliche Vorteile. So lässt sich mit einer Laser-Ablenkeinheit ein qualitativ hochwertiger Schnitt an der Beschichtung gut durchführen und auch die jeweiligen Elektro­den­folien durch Konturschneiden schnell und präzise generieren. Florian Thalhofer, Entwick­lungsingenieur bei Sonplas: „Wir konzentrie­ren uns momentan besonders auf die Pouch-Zellen, da damit die höchste Energiedichte in E-Autos erreicht werden kann.“

Schnell, sauber, flexibel

Um die Produktivität zu erhöhen, wird üblicherweise das Schneiden der Batteriefolien und die Generierung der Einzelelektroden von beispielsweise Pouch-Zellen bei laufender Tochterrolle durchgeführt. Dabei gibt es enorme technische Probleme zu lösen. Thalhofer, kennt die Schwierigkeiten nur zu gut: „Die eigentliche Problematik liegt in der Kombination, der verschiedenen Herausforderungen. Wir haben eine sehr hohe Schnittgeschwindigkeit bis über 1 Meter pro Sekunde. Es darf zu keiner Verschmutzung der Elektroden kommen. Insbesondere nicht mit Partikeln, die größer als 10 µm sind, da sonst die Separator-Folie leicht durchstoßen werden kann und zudem braucht es ein System, mit dem wir unterschiedliche Geometrien ohne Anlagenumbau bearbeiten können, wie etwa die größten marktüblichen Elektroden im Scanfeld von 700 x 700 mm.“ Ein hochkomplexer Vorgang, der höchste Präzision bei größter Schnelligkeit erfordert und gleichzeitig anpassbar sein muss. Eine Aufgabe, wie geschaffen für moderne Laserschneidsysteme.

Berührungsfrei und positionsgenau arbeiten

Mit Hilfe der entsprechenden Software und der exakten Berücksichtigung der Bahngeschwindigkeit können Laser-Ablenkeinheiten den Elektrodenschnitt positionsgenau in herausragendem Tempo durchführen. Dabei tragen sie auch, der in letzter Zeit gestiegenen Dicke, von 100 auf über 200 µm und damit der mechanischen Sensibilität der Elektroden Rechnung. Denn je dicker die Elektrode, umso schwieriger ist das Schneiden. „Unsere Ablenkeinheit Axialscan-II 50 bietet hier genau das qualitativ hochwertige Verfahren, das im Vergleich zu mechanischen Stanzwerkzeugen enorme Vorteile bringt. Berührungslos und damit verschleißfrei, arbeitet der Laser zudem auf lange Sicht auch günstiger,“ betont Wolfgang Lehmann, Produktmanager bei Raylase.

Know-how für Laserstrahl-Ablenkeinheiten

Der Straubinger Sondermaschinenbauer Sonplas GmbH arbeitet mit Raylase in Sachen Qualität der Schnittkanten von Elektrodenfolien in enger Kooperation zusammen. Das niederbayerische Unternehmen mit mehr als 300 Mitarbeitern entwickelt, baut und liefert seit fast drei Jahrzehnten maßgeschneiderte, innovative Prüf- und Montageanlagen für die Automobil-, Automobilzuliefer-, Elektronik- und Luftfahrtindustrie. Seit 2020 legt Sonplas einen Schwerpunkt auf das Thema Batterie und dort vor allem auf die Qualität in der Zellfertigung. Denn die Automotive-Standards sind deutlich höher als im Consumer Bereich.

Florian Thalhofer, Ingenieur in der Forschungs- und Entwicklungsabteilung bei Sonplas: „Uns war es unter anderem wichtig, die sogenannte Heat Affected Zone (Haz), sprich: die Wärme­einflusszone, auf das Material zu verringern. Beim Schneiden sollte es zudem weder zu einem sogenannten Burnback, sprich dem Abbrand der Beschichtung, oder einer Gratbil­dung kommen. Und auch die Partikelgröße und Partikelanzahl wollten wir verringern,“ Der Einsatz des Laserscanners ermöglicht hier ein sehr gutes Abbildungsverhältnis bzw. ein sehr großes Arbeitsfeld bei gleichzeitig kleiner Laserspotgröße. Vor allem bezüglich Geometrie und Größe der Elektroden besteht dadurch höchste Flexibilität. Sonplas hat der Einsatz der Laserablenkeinheit Axialscan II-50 von Raylase weitergebracht: „Durch den besseren Schnitt bei den Elektrodenfolien erhöhen wir die Lebensdauer der Batteriezellen,“ erklärt Paul Birkeneder, bei Sonplas im Vertrieb. Derzeit arbeitet das Unternehmen an der Definition und Optimierung von messbaren Qualitätskriterien, also an einem Verfahren zur allgemeinen Beurteilung der Güte von Elektrodenschnitten. In einer Demonstrationsanlage soll dieser Vorsprung für Kunden demnächst erfahr- beziehungsweise sichtbar gemacht werden.

Durch die Kombination des Know-hows im Sondermaschinenbau der Niederbayern mit den Laserablenkeinheiten der Oberbayern ist es gelungen, einen qualitativ hochwertigen Laserschnitt an den zu separierenden Elektro­­denfolien zu erreichen.

db

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