Flaw detection in the coating process of lithium-ion battery electrodes with acoustic guided waves

Aachen / Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe ISEA (2017) [Buch, Doktorarbeit]

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Kurzfassung

Der Energiebedarf aktueller Technologien, wie etwa von Smartphones, Drohnen und Elektrofahrzeugen, zwingt die Hersteller von Lithium-Ionen-Zellen dazu, die Energiedichte ihrer Zellen immer weiter zu erhöhen. Als Folge davon werden vorhandene Sicherheitsmargen nahezu vollständig erschöpft und die Zellen arbeiten nahe an ihren Stabilitätsgrenzen. In dieser Konfiguration haben kleine Inhomogenitäten und Defekte, die während des Produktionsprozesses eingeprägt werden, einen starken Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Zelle. Folglich können unter anspruchsvollen Bedingungen Sicherheitsrisiken entstehen. Die Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen, insbesondere von Elektroden, ist ein komplexer und unerbittlicher Prozess. Er erfordert eine kontinuierliche Überwachung einzelner Prozessparameter sowie der Produktqualität. Vor allem die kontinuierliche Erkennung und Klassifizierung von Adhäsionsverlusten an der Grenzfläche zwischen Beschichtung und Folie ist eine unzureichend analysierte Forschungsfrage und stellt die Zellhersteller vor enorme Herausforderungen. In dieser Dissertation wird eine neuartige, zerstörungsfreie ultraschallbasierte Prüfmethode entwickelt, die auf Lamb-Wellen und horizontal polarisierten Scherwellen basiert und in der Lage ist Adhäsionsverluste an der Grenzfläche zu detektieren. In der vorgeschlagenen Methodik werden die Metallfolien, welche als Substrate in Lithium-Ionen-Batterie-Elektroden dienen, als Wellenleiter und als Sensoren für das Ultraschallmesssignal verwendet. Zunächst wird die Theorie der Lamb-Wellen und der horizontal polarisierten Scherwellen für sowohl einschichtige als auch mehrschichtige Strukturen diskutiert und erweitert. Insbesondere die Anregung und der Empfang geführter akustischer Wellen werden theoretisch und experimentell untersucht. Das Vorhandensein von Inhomogenitäten, wie z.B. Fehlstellen in der Folie, Adhäsionsfehler an der Grenzfläche zwischen Beschichtung und Folie und Lücken im Beschichtungsmaterial, verändert die physikalischen Randbedingungen und beeinflusst die Ausbreitungsparameter der geführten Welle. Die Korrelation zwischen Fehlertypen und Veränderungen in der Amplitude, Frequenz, Energie und Ausbreitungsgeschwindigkeit des empfangenen Signals wird experimentell untersucht und später zur Fehleridentifikation und -klassifizierung genutzt. Die Anregung und der Empfang beider geführter Wellentypen erfolgt mit optimierten Ultraschall-Keilschallwandlern, die auf den beiden unbeschichteten Seitenflächen der Folie positioniert werden. Zudem wurde eine mechanische Konstruktion entwickelt und gefertigt, die bei niedrigem Anpressdrücken einen ausreichenden Schallkontakt sicherstellt, was wiederum ein ungestörtes Gleiten der Folie unter den Sensoren gewährleistet.Die Mehrfrequenzanregung in PZT-Keilwandlern durch die Ausnutzung von Dicken- und Planarschwingungen wird ebenfalls analysiert. Die Fehleridentifikation in blanken Metallfolien erfolgt mit den hochfrequenten Schwingungsanteilen. Dadurch lässt sich die hohe räumliche Empfindlichkeit von kleinen Wellenlängen ausnutzen. Die Ergebnisse zeigen, dass auch 2 mm lange Kratzer und Risse mit diesem Ansatz durch die Analyse der Signalamplitude detektiert werden können. Durch das Beschichtungsmaterial werden die Sensorsignale in der Regel stark gedämpft und verzerrt. Daher lässt sich nur mit dem niederfrequenten Anteil der PZT-Schwingung ein Messsignal mit der notwendigen Amplitude in beschichteten Elektroden anregen und empfangen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Signaländerungen von der Absorptionsrate des Beschichtungsmaterials abhängen. Bei Beschichtungen mit geringerer Dämpfung nimmt das empfangene Signal ab, und bei Beschichtungen mit höherer Dämpfung nimmt das empfangene Signal bei Vorhandensein von Fehlern zu. Die experimentellen Untersuchungen zeigen, dass für die Detektion und Klassifizierung von Adhäsionsdefekten und Beschichtungslücken in Elektroden die Steigung und der Endwert des Integrals der quadratischen Signalamplitude als Messgrößen bevorzugt geeignet ist. Insgesamt konnte der Proof-of-Concept für das entwickelte Diagnose-System erfolgreich erbracht werden.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Gitis, Alexander

Gutachterinnen und Gutachter

Sauer, Dirk Uwe
Kwade, Arno

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