Wirbelstromverfahren für die Inline-Überwachung von Trocknung, Kalandrierung und Slitten

Im Fertigungsprozess von Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien ist deren Trocknung ein entscheidender Faktor für die spätere Zellperformance. Dieser Vorgang unterteilt sich in verschiedene Trocknungsstadien, an die das Temperaturprofil im Trocknungskanal (Trocknungsprofil) permanent angepasst werden sollte. Somit können Fehler wie eine Bindermigration vermieden werden. Da sich die elektrische Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials während der verschiedenen Trocknungsstadien ändert, könnte die Wirbelstromprüfung als ein geeignetes Verfahren für dieses Fehlerbild ermittelt werden.

In den vergangenen Jahren hat das Fraunhofer IKTS seine wirbelstrombasierten Prüfsysteme (EddyCus^® Pro-II Serie) kontinuierlich weiterentwickelt. Diese leistungsstarken und modularen Systeme eignen sich besonders für die Integration in den Automationsprozess einer Produktionslinie. Dank Mehrkanaltechnik über die gesamte Prozessbreite messen sie berührungslos, ohne das Material zu beschädigen, und erfassen integrale Informationen der Leitfähigkeit in Echtzeit aufgrund der sehr hohen Sampleraten.

© Fraunhofer IKTS

Erste erkennbare Zusammenhänge zwischen den Trocknungsetappen während der Trocknung der Batterieelektroden (oben [1]), der Perkolation (links unten [2]) und dem Betrag der komplexen Impedanz aus dem Wirbelstromsignal (unten rechts [3]).

Am Fraunhofer ZESS wird erprobt, wie mit Hilfe des Prüfsystems EddyCus^® Pro-II der Trocknungsverlauf inline überwacht werden kann. Dafür werden die Sensoren an mehreren verschiedenen Positionen im Trocknungstunnel integriert. Erste Versuche zeigen vielversprechende Korrelationen des Trocknungsverhaltens zum Wirbelstromsignal. Um den Informationsgehalt über das aktuelle Trocknungsstadium noch deutlich zu erhöhen, soll das bestehende Wirbelstromprüfsystem um einen nahinfrarot (NIR) spektroskopischen Sensor ergänzt werden. Mit diesem lässt sich zusätzlich die Restfeuchte in den Batterieelektroden bestimmen. Aktuell befindet sich ein solches kombiniertes System im Aufbau.

Das EddyCus^® Pro-II Prüfsystem kann ebenso nach dem Trocknen, Kalandrieren und Splitten eingesetzt werden, um Fehler wie Schichtinhomogenitäten (Dicke, Zusammensetzung, Leitfähigkeit) über die gesamte Beschichtungsbreite zu detektieren.

Charakteristische Merkmale des modularen EddyCus^® Pro-II Wirbelstromarrays sind:

• Kaskadierbares System mit Sensormultiplexrate bis zu 100 kS/s
• Bis zu 100 MHz Wirbelstromanregung
• Temperaturkompensation
• USB 2.0 / RS-485-Anschluss für externe Gerätekommunikation
• Integrierte Inkrementalencodereingänge
• Analog und digital I/O zur Integration in bestehende Messsysteme
•  Autokalibrierfunktion speziell für inhomogene Materialien
• Kundenangepasste Wirbelstromarraysensorik
• Messungen je nach Anwendungsfall im Transmissions- oder Reflektionsmodus möglich

[1] S. Jaiser, L. Funk, M. Baunach, P. Scharfer, W. Schabel, Experimental investigation into battery electrode surfaces: The distribution of liquid at the surface and the emptying of pores during drying, Journal of Colloid and Interface Science 494 (2017) 22–31.

[2] Patsora, Iryna; Hillmann, Susanne; Heuer, Henning; Foos, Bryan C.; Calzada, Juan G.: High-frequency eddy current based impedance spectroscopy for characterization of the percolation process of wet conductive coatings. Annual Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation (2014).

[3] M. Wild, A. du Barét, S. Reuber, M. Schulze, Prof. H. Heuer, M. Wolter. Prof. A. Michaelis: Analysis and monitoring of the electrode films during the drying process using eddy current technology. International Battery Production Conference (Conference Presentation), Braunschweig (2019).