Messtechnik

Mehr Tempo bei der Lithium-Ionen-Zellfertigung

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Die Dauer der Lithium-Ionen-Zellfertigung in etwa halbiert und die Fertigungskosten um annähernd 3 % gesenkt – die von Keysight neuentwickelte Messtechnik beschleunigt die abschließende Qualitätsprüfung von Batteriezellen erheblich.

Hartmut Hammer
Freier Journalist in Leutenbach

Nach ihrer Produktion durchläuft jede Batteriezelle die sogenannte Formierungsphase. Dort wird die Zelle mehrmals geladen und entladen, geprüft, und nach einer Ruhephase auf Selbstentladung getestet. Der Haken: erst nach einer Ruhephase von 10 bis 14 Tagen kann durch einen Vergleich der Zellspannung vor und nach der Lagerung der Grad der Selbstentladung bestimmt werden. Diese lange Lagerphase bindet nicht nur beträchtliche Hallenkapazitäten und Kapital, sondern erhöht auch das Risiko von Kurzschlüssen (bei Zellen mit Produktionsfehlern) und verhindert eine schnelle Rückkoppelung von eventuellen Produktionsfehlern in den Produktionsprozess.

Keysight Technologies, ein aus Hewlett Packard und Agilent hervorgegangenes Unternehmen, ist das Problem mit einer neuen Messmethode angegangen. Sie wird inzwischen bei einem Kunden in Serie eingesetzt und ist laut Keysight weltweit bisher einzigartig. Bei der potentiostatischen Messmethode wird nicht die Zellspannung, sondern indirekt der Selbstentladungsstrom ermittelt. Dazu wird die Batteriezelle mit einem geringen Ladestrom aufgeladen und parallel dazu die Batteriespannung gemessen. Der angelegte Ladestrom entspricht einem empirischen Mittelwert aus Ladevorgängen von anderen Zellen und kann stufenlos verändert werden. Sobald die gemessene Zellspannung konstant bleibt, kann man daraus folgern, dass der dann anliegende Ladestrom der Selbstentladung der Zelle entspricht.

Sehr genaue Selbstkalibrierung der Messtechnik

Diese Methode scheint im ersten Moment banal zu sein, laut Keysight steckt aber einiges an Know-how und ein Patent dahinter. Das Patent schütze eine Methode, mit der die Ladespannung im Messgerät mindestens so hochpräzise gehalten werden könne, wie die Batteriezelle ihr Spannungsniveau. Des Weiteren hätten die Ingenieure eine sehr genaue Selbstkalibrierung des Messgeräts entwickelt.

Die potentiostatische Messmethode kann nach Unternehmensangaben die Zeitspanne von Produktionsbeginn bis zur Messung der Zellqualität von bisher rund 20 Tagen auf etwa die Hälfte verkürzen. Denn es muss bis zur Qualitätsprüfung nicht mehr 10 bis 14 Tage gewartet werden, bis sich ein eventueller Spannungsunterschied in der Zelle zeigt. Vielmehr kann schon zwei bis drei Tage nach der Zellaufladung – sobald die Zellchemie zur Ruhe gekommen ist – die Selbstentladung gemessen werden. Dabei pendelt sich in der Regel innerhalb von 10 bis
30 min ein Gleichgewicht zwischen Ladestrom und Selbstentladung ein.

Keysight kann nach eigenen Angaben dank der selbst entwickelten Auswertungs- und Analysesoftware auch eine genauere Einstufung der Zellqualität vornehmen, abhängig von den vorgegebenen Qualitätsparametern der Zellhersteller. Zudem sei es durch die Integration von geeigneten Korrekturfaktoren gelungen, die Einflüsse von Umgebungsbedingungen weitgehend zu kompensieren. Damit müssten beispielsweise die Temperaturen bei den vorhergehenden Lade- und Entladevorgängen, beim Lagern und den anschließenden Messungen nicht mehr unbedingt identisch sein.

Schneller und effizienter

Die Zellhersteller können dank der kürzeren Lagerdauer der Zellen entweder ihre bisherigen Lagerflächen in etwa halbieren oder die freiwerdenden Lagerflächen für einen höheren Durchsatz nutzen. Die Boston Consulting Group hat errechnet, dass 2018 knapp 11 % der Kosten in der Zellproduktion auf das Konto der Formierungsphase geht, davon wiederum gut die Hälfte auf die Lagerphase vor der Qualitätsprüfung. Diese Lagerkosten können Keysight zufolge in etwa halbiert werden, was die Produktionskosten für eine Zelle um etwa 2,7 % verringert.

Sind weniger Zellen auf Lager, sinkt auch das potenzielle Risiko eines Kurzschlusses mit anschließendem Brand einer Zelle. Nicht zuletzt erhält der Zellhersteller ein viel schnelleres Feedback für die Zellproduktion, da schon nach wenigen Tagen Rückschlüsse auf die Prozessqualität in der Zellfertigung möglich sind.

Inzwischen setzen weitere Zellenhersteller die Keysight-Messstation für Serientests ein. Mit der „Self Discharge Analyzer“ genannten Messstation sind prismatische, Rund- und Pouchzellen mit verschiedenen Kapazitäten überprüfbar. Je nach Zelltyp, Messdauer und Kundenvorgaben kann ein 32-Kanal-Standardmesssystem bis zu 300.000 Batteriezellen (bei Rundzellen) im Jahr prüfen. Bei acht Messsystemen pro Messstation kann man diesen Durchsatz auf etwa 2,4 Mio. Stück erhöhen. Bei einer durchaus noch möglichen Halbierung der Messzeit sieht Keysight einen Durchsatz von bis zu 5 Mio. Batteriezellen pro Jahr und Messstation künftig als realistisch an.

Die Qualitätsprüfung am Ende der Zellproduktion wird wohl nicht das einzige Einsatzgebiet des Self Discharge Analyzer bleiben. Bei der Entwicklung von Batteriezellen soll das Messverfahren ebenfalls die Entwicklungsgeschwindigkeit steigern. Auch die Modul- oder Batterieproduzenten interessieren sich für die Keysight-Messtechnik, um die Wareneingangskontrolle der Zellen zu optimieren. Angesichts der prognostizierten Ausweitung der Zellenproduktion sieht Keysight sehr gute Wachstumschancen für das Produkt.

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