Qualität der nächsten Stufe in der Batteriezellenproduktion

Die Sonplas GmbH ist ein etablierter Anbieter hochwertiger Montage- und Prüftechnik für die Automobilindustrie. Das Unternehmen hat ein neues Verfahren entwickelt, mit dem sich Elektroden bearbeiten lassen. Damit können Hersteller von Batteriezellen effizienter und nachhaltiger produzieren.

Als langjähriger Partner der Automobilindustrie ist die Sonplas GmbH aus Straubing bestens mit den hohen Qualitätsansprüchen dieser Branche vertraut. Seit mehr als zehn Jahren setzen die Ingenieure mit ihren innovativen Ideen Impulse in Sachen Qualität im Bereich der Elektromobilität. 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.

Neben der Montage von Rotoren, Invertern und anderen Komponenten für elektrisch angetriebene Autos und Nutzfahrzeuge, beschäftigt sich Sonplas mit der Herstellung von Batteriezellen für sowohl automotive- als auch non-automotive Anwendungen. 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 den etablierten Marktbegleitern aus Asien, entgegenzutreten.

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.

Firmensitz der Sonplas GmbH in Straubing, Niederbayern. - © Sonplas GmbH — Firmensitz der Sonplas GmbH in Straubing, Niederbayern. © Sonplas GmbH

Optimaler Laserschnitt an Elektrodenfolien

Bei der Herstellung der Lithium-Ionen-Batterien in der Elektromobilität kommen zurzeit 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 beschichtete 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 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 Laser-Systeme 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 eigentliche Problematik liegt in der Kombination, der verschiedenen Herausforderungen. Wir haben eine sehr hohe Schnittgeschwindigkeit bis deutlich über 1 Meter pro Sekunde. Es darf zu keiner Verschmutzung der Elektroden kommen. Vor allem nicht mit Partikeln, die größer als 10 µm 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 mm 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.

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, oder einer Gratbil¬dung kommen. Und 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 Inspektions-Station steht auch für Evaluierungen mit Kunden zur Verfügung.

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

Durch die Kombination des Know-hows der Niederbayern im Sondermaschinenbau mit den Laserablenkeinheiten der Oberbayern ist es den zwei forschenden Unternehmen gelungen, einen hochwertigen Laserschnitt an den zu separierenden Elektrodenfolien zu erreichen. Das stützt nicht nur das derzeit hochdy¬namische Wachstum der Batterieproduktion in Europa und vor allem in Deutschland, sondern verbessert auch die ökologische und ökonomische Bilanz der Herstellung. Denn die bessere Qualität hilft, die derzeit großen Ausschussraten bei der Zellproduktion zu reduzieren.

(Quelle: Presseinformation der Sonplas GmbH)