Batteriezellen: Diese Vorteile bietet das Laserschneiden

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Sonplas hat ein neues Verfahren entwickelt, mit dem sich Elektroden bearbeiten lassen. Mit dem Laserschneiden können Hersteller von Batteriezellen effizienter und nachhaltiger produzieren.

Sonplas entwickelt, baut und liefert maßgeschneiderte Prüf- und Montageanlagen für die Automobil-, Elektronik- und Luftfahrtindustrie. Neben der Montage von Rotoren, Invertern und anderen Komponenten für elektrisch angetriebene Fahrzeuge, beschäftigt sich Sonplas mit der Herstellung von Batteriezellen. Ein wichtiger Aspekt dabei ist es, optimierte Schnittkanten bei der Elektrodenerstellung für Batteriezellen zu erreichen. Das Ziel ist, mit einem neuen Qualitätsniveau „Made in Germany“ der internationalen Konkurrenz, allen voran aus Asien, entgegenzutreten.

Elektroden von Batteriezellen brauchen saubere Schnittkanten

Derzeit entsprechen die Fertigungsmethoden in den Zellfabriken und die Standards, um Lithium-Ionen-Batteriefolien zu bearbeiten, oft noch nicht dem für die Automobilindustrie notwendigen Qualitätsniveau. Von der Steigerung der Qualität, vor allem der Schnittkante und der Vermeidung von Partikeln, hängen unmittelbar die angestrebte Ausschussquote bei der Herstellung, verbesserte Güte und eine verlängerte Lebensdauer der Zellen ab. Sonplas hat hierzu einen neuen Ansatz beim Laserschneiden und eine darauf abgestimmte Absaugung entwickelt.

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: eine beschichtete Kupferfolie für die Anode und 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 erhalten. Im nächsten Schritt werden die Tochterrollen am Rand beschnitten (Notching) und die einzelnen Elektrodenblätter ausgeschnitten (Separation). Im Vergleich zu den vielfach noch verwendeten mechanischen Stanzverfahren bringen moderne Lasersysteme deutliche Vorteile im Hinblick auf Qualität, Flexibilität und Betriebskosten.

Auf Schnelligkeit, Sauberkeit und Flexibilität kommt es an

Um die Produktivität zu erhöhen, wird die Batteriefolie im Rolle-zu-Rolle-Verfahren geschnitten (Notching). Dabei gibt es anspruchsvolle technische Probleme zu lösen. Florian Thalhofer, Entwicklungsingenieur bei Sonplas, beschäftigt sich mit diesem Prozess bereits seit mehreren Jahren: „Die Problematik liegt in der Kombination der verschiedenen Herausforderungen. Wir haben eine sehr hohe Schnittgeschwindigkeit bis deutlich über einem Meter pro Sekunde. Es darf zu keiner Verschmutzung der Elektroden kommen. Vor allem nicht mit Partikeln, die größer als zehn Mikrometer sind, da sonst die Separator-Folie leicht durchstoßen werden kann. Zudem braucht es ein System, mit dem wir unterschiedliche Geometrien ohne Anlagenumbau bearbeiten können, wie die größten marktüblichen Elektroden im Bearbeitungsbereich von 700 x 700 Millimetern und darüber hinaus.“ Ein hochkomplexer Vorgang, der höchste Präzision bei hohen Geschwindigkeiten erfordert und gleichzeitig flexibel und anpassbar sein muss.

In einem umfangreichen Innovationsprojekt, das zusammen mit wissenschaftlichen Instituten und Partnern aus der Industrie durchgeführt wurde, konnte ein innovativer Laserprozess mit einem neuartigen Ansatz bei der Absaugung entwickelt werden.

Beim Schneiden darf es nicht zu einem Burnback kommen

Florian Thalhofer: „Uns war es unter anderem wichtig, die sogenannte HAZ (Heat affected zone), sprich die Wärme-Einflusszone, auf das Material zu verringern. Beim Schneiden sollte es zudem weder zu einem sogenannten Burnback, einem Abbrand der Beschichtung, noch zu einer Gratbildung kommen. Auch die Partikelgröße und Partikelanzahl wollten wir verringern.“

Wie die Ergebnisse zeigen, konnte diese Zielsetzung erreicht werden. Dabei steht der neuartige Prozess für Kunden für Evaluierungen oder Musterprodukten nicht etwa nur unter Laborbedingungen zur Verfügung, sondern auch in einer produktionsnahen Proof-of-Concept-Anlage. „Durch den besseren Schnitt bei den Elektrodenfolien machen wir die Produktion nachhaltiger und erhöhen die Lebensdauer der Batteriezellen“, freut sich Paul Birkeneder, bei Sonplas im Vertrieb. Außerdem hat das Unternehmen ein Verfahren zur allgemeinen Beurteilung der Güte von Elektrodenschnitten anhand von messbaren Qualitätskriterien entwickelt. Eine entsprechende automatische Inspektionsstation steht auch für Evaluierungen mit Kunden zur Verfügung.

Der Straubinger Sondermaschinenbauer arbeitet bei der Entwicklung des Laserprozesses mit Raylase zusammen, die hochpräzise und innovative Laserablenkeinheiten für die industrielle Materialbearbeitung entwickeln.

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