EP4497165A1 - Bestimmung von inhomogenitäten bei der elektrodenfertigung für batteriezellen - Google Patents

Bestimmung von inhomogenitäten bei der elektrodenfertigung für batteriezellen

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EP4497165A1
EP4497165A1 EP23723137.8A EP23723137A EP4497165A1 EP 4497165 A1 EP4497165 A1 EP 4497165A1 EP 23723137 A EP23723137 A EP 23723137A EP 4497165 A1 EP4497165 A1 EP 4497165A1
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EP
European Patent Office
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electrode
inhomogeneities
electrode track
inhomogeneity
track
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Pending
Application number
EP23723137.8A
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Inventor
Alexander Michael Gigler
Sascha Schulte
Manfred Baldauf
Clemens Otte
Roland Pohle
Susanne Kornely
Jonas Witt
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for hyperspectral imaging of electrode strips in electrode production for battery cells.
  • Lithium-ion accumulators also referred to below as lithium-ion batteries, are used as energy storage devices in mobile and stationary applications due to their high power density and energy density.
  • a lithium-ion battery typically includes several battery cells.
  • a battery cell in particular a lithium-ion battery cell, comprises a large number of layers. Typically, these layers include anodes, cathodes, separators and other elements. These layers can be designed as stacks or as windings.
  • the electrodes usually comprise metal foils, in particular comprising copper and/or aluminum, which are coated with an active material.
  • a lithium-containing paste, called slurry, is typically applied as the active material.
  • the films and the coating each have a thickness of a few micrometers. As a result, even a few micrometers of deviation in the thickness of the coating or in the material properties, in particular the material composition, have a negative impact on the quality of the electrode.
  • the disadvantage is that poor-quality battery cells are produced if the coating is irregular. Furthermore, safe operation of the battery cell is disadvantageously not ensured.
  • defective coatings can often only be carried out after the entire production process of the battery cell has been completed as part of a so-called end-of-line test. In some cases, faulty coatings are only discovered after the battery cell has been in operation for several years.
  • Battery materials for battery cell production are deposited or applied to the electrode track during production as a viscous medium (a coating paste, English: slurry).
  • Battery cell production in particular (here referring to Li-ion cells) is now very often characterized by an exploratory approach (i.e. more of a mixture of craftsmanship and art than science or a completely understood industrial process).
  • the pasty active material is applied to a long electrode track (typically sequentially) on both sides, dried and processed.
  • Process parameters in particular are often stored as cooking recipes (e.g. drying for x hours at y degrees) and are rarely monitored using sensors.
  • the so-called slurry made of NMC or graphite (as main components) with a solvent and possibly other components (e.g. conductive carbon black), which is applied to the electrode track
  • the ingredients are mixed in a mixer and the homogeneity of the Mixture and viscosity are crucial for the performance of the subsequent battery cell, and thus the entire later battery, this homogeneity of the coating must be monitored during the manufacturing process.
  • these areas can then lead to uneven behavior of the electrodes produced and/or cause short circuits and inefficiency in the battery cells.
  • One aspect of the invention relates to the determination of the local position of inhomogeneities in electrode tracks during the production of the coated electrodes for battery production.
  • the invention claims a device for hyperspectral imaging of electrode strips in electrode production for battery cells.
  • the device has: at least one hyperspectral spectroscopy unit having a line camera for imaging, the spectroscopy unit being arranged and set up,
  • an inhomogeneity is a deviation of the chemical composition of the layers or the particle size distribution from predetermined target sizes
  • the electrode track is a carrier film coated with the slurry.
  • the line camera is called a “push broom scanner” in English. “Save” is defined broadly, also in the sense of “save” or “mark”.
  • the expert selects the wavelengths of the hyperspectral imaging depending on the inhomogeneities to be detected and the substances from which the slurry, i.e. the coating of the electrode track, is formed.
  • Reference images can, for example, come from a previously created electrode track with a proven homogeneous structure or from an averaging of images, which come from the first meters of an electrode track that has just been produced.
  • the device has a deflection roller over which the electrode track is guided, with the line camera recording the images at the position of the contact surface between the deflection roller and the electrode track.
  • the device is designed to secure the local position of the inhomogeneity by marking it on the electrode track.
  • the markings can be found again, for example, when cutting the electrode track and used for sorting.
  • the device has an engraving unit which is set up to carry out the marking by engraving, preferably on the longitudinal edge of the electrode track. This can be done, for example, by a laser engraving machine.
  • the device has a memory unit which is set up to save spectral characteristics of the inhomogeneity as a spatial coding along the electrode path in such a way that the position of the inhomogeneity can be found based on the spectral characteristics.
  • the stored spectra of the inhomogeneities can be found again, for example, when cutting the electrode track.
  • the device has a production control system to which the spectroscopy unit is connected and which is set up to trigger the spectroscopy unit for measurement. This allows later local assignment of the measurement, for example when cutting and sorting electrode tracks.
  • the device has an evaluation and computing unit at the location of the spectroscopy unit, the evaluation and computing unit being set up to receive data from the spectroscopy unit to pre-compress spectroscopic imaging into a vector and assign it to the local position. This determines a measure of the lateral distribution of materials along a measurement line under consideration. D. H . a vector of inhomogeneity is created.
  • the line camera is a SWIR line camera. This makes a cost-effective solution possible.
  • the device in the spectroscopy unit has an AI engine that is set up to determine the inhomogeneities with computer assistance.
  • the AI engine is trained using deep learning methods to determine the inhomogeneities from the spectra.
  • the invention also claims a method for determining inhomogeneities using hyperspectral imaging on electrode tracks in electrode production for battery cells, with the following steps:
  • the images are recorded by the line camera at the position of the contact surface between a deflection roller over which the electrode track is guided and the electrode track.
  • the local position of the inhomogeneity is secured by marking on the electrode track.
  • the spectral characteristics of the inhomogeneity are stored as a spatial coding along the electrode path in such a way that the position of the inhomogeneity can be found based on the spectral characteristics.
  • the inhomogeneities are determined with computer assistance using an AI engine.
  • the invention offers, among other things, the following advantages:
  • Direct online evaluation allows closed-loop feedback with, for example, the upstream dryer,
  • Non-destructive without sampling, and a continuous recording in the process which provides a characteristic 2D inhomogeneity indication, which is suitable for identifying/recognizing web segments in subsequent process steps.
  • FIG. 1 the coating of the carrier film
  • FIG. 2 drying the coated carrier film
  • FIG. 3 calendering the dried carrier film
  • FIG. 4 a block diagram of the hyper spectral measuring arrangement
  • FIG. 5 a section of a hyperspectral image of an electrode track.
  • FIG. 1 to FIG. 3 show a schematic and example of electrode production for batteries.
  • a carrier film 1 is coated with the slurry 2, which is conveyed from a storage 7, via an application tool 3, for example a slot nozzle, a doctor blade or an anilox roller (FIG. 1).
  • the carrier film 1 is coated in the coating direction 4 either continuously or intermittently (intermittent coating 6 in the top view 5).
  • the foil thicknesses (anode - copper foil and cathode - aluminum foil) vary depending on the battery cell design
  • the carrier film 1 is coated over a width of up to 900 mm in a roll-to-roll process. Depending on the design of the production system, the top and bottom sides of the film are coated either sequentially or simultaneously. The thickness of the coating 6 with the slurry 2 is determined while it is still wet using a wet thickness measurement 8.
  • the coated carrier film 1 (also referred to as an electrode web) is fed directly into a dryer 9 (FIG. 2).
  • a suspension dryer is used for simultaneous, double-sided coating.
  • the solvent vapors 10 via extractor 12 is removed from the coating 6 by supplying heat via air nozzles 11 and recovered again or sent for thermal recycling.
  • the dryer length is crucial for the achievable throughput speed.
  • the carrier film 1 coated on both sides is compacted by one or more rotating pairs of rollers 16.
  • the film is compacted by top and bottom rollers.
  • the pair of rollers 16 generates a precisely adjustable line pressure.
  • the line pressure determines the porosity of the electrode track. If the line pressure is set too high, this will cause a crushing process and damage the electrode track.
  • the cleanliness of the pair of rollers 16 is crucial for preventing the penetration of foreign particles into the substrate material.
  • the transport of the carrier film 1 through the calender 15 takes place with the help of a pulling mechanism 17.
  • the feed 18 ensures a clean entry of a storage roll 19 into the calender 15.
  • the electrode web is moved in one step.
  • nistswerk 20 cleaned and stored as a “mother coil 21” for further processing into battery cells, such as cutting.
  • a hyperspectral measurement is advantageously carried out after drying (FIG. 2) or after calendering (FIG. 3) with a line camera 22 and a downstream evaluation and computing unit 23.
  • the line camera 22 is connected to the evaluation and computing unit 23, which in turn is connected to a production control system 24 for electrode web production.
  • An engraving unit 28 is provided for marking the electrode track 26, for example at identified inhomogeneities.
  • SWIR 850-1700nm
  • NIR 1200-2500nm
  • the spectral measuring system is advantageously connected to the production control system 24 (PLC, Edge, etc., ) and receives triggers from here for the measurement, which facilitates a later local assignment of the measurement.
  • the advantage here is the early processing of the data in the field, close to the measuring point. This reduces the load on the IT system, as high data rates occur due to the high product speed and would block even modern high-speed networks.
  • the data set is therefore pre-compressed and a measure for the lateral distribution of the materials along the measurement line under consideration, i.e. a vector of inhomogeneity, is assigned to the web position.
  • This information is already two to three orders of magnitude smaller than the raw data of the actual measurement (an HSI frame: 640 x 224 pixels vs. an evaluation result: 640 x 1 vector or just a scalar indicator)
  • FIG. 5 shows a measuring point of an exemplary embodiment.
  • the left image shows a section of a hyperspectral image of an electrode track. Inhomogeneities are represented here by different shades of gray.
  • the measured spectra can preferably be analyzed in two ways: A) Supervised machine learning: Calibration of a model that either maps the spectra to a target value (e.g. graphite content) or classifies them (e.g. OK, Not-OK). There are methods such as partial least squares, principal component regression, Gaussian processes, or neural networks.
  • Unsupervised machine learning Detection of anomalies, e.g. local inhomogeneities in the coating of the electrode track (e.g. the variance of the slurry deposition can increase on the outer edges, changes in layer thickness). For this purpose, statistical characteristics can be calculated, such as local variance or entropy. Alternatively, residual models (e.g. low-rank PCA approximation, variational auto-encoder neural networks) can be created.
  • anomalies e.g. local inhomogeneities in the coating of the electrode track (e.g. the variance of the slurry deposition can increase on the outer edges, changes in layer thickness).
  • statistical characteristics can be calculated, such as local variance or entropy.
  • residual models e.g. low-rank PCA approximation, variational auto-encoder neural networks
  • the analyzes can be supplemented by preprocessing steps, for example by exposing the coating foreground from the substrate film, filtering out sensor information according to its degree of variance explanation, or increasing the contrast.

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Abstract

Die Erfindung gibt eine Vorrichtung zur hyperspektralen Bild- gebung an Elektrodenbahnen (26, 1) bei der Elektrodenfertigung für Batteriezellen an. Die Vorrichtung weist auf: Mindestens eine hyperspektrale Spektroskopie-Einheit (27) aufweisend eine Zeilenkamera (21) zur Bildgebung, wobei die Spektroskopie-Einheit (27) angeordnet und eingerichtet ist, - an einem vorgegebenen Ort der Elektrodenfertigung von der sich vorwärts bewegenden Elektrodenbahn (26, 1) hyperspektrale Bilder aufzunehmen, - aus den Bildern Inhomogenitäten der Elektrodenbahn (26, 1) zu ermitteln und - deren örtliche Position in Längsrichtung der Elektrodenbahn (26, 1)25) zu ermitteln und zu sichern. Die Erfindung gibt auch ein zugehöriges Verfahren an.

Description

Beschreibung
Bestimmung von Inhomogenitäten bei der Elektrodenfertigung für Batteriezellen
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur hyperspektralen Bildgebung an Elektrodenbanen bei der Elektrodenfertigung für Batteriezellen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Lithium-Ionen-Akkumulatoren, im Folgenden auch Lithium-Ionen- Batterien genannt, werden aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte und Energiedichte in mobilen und stationären Anwendungen als Energiespeicher eingesetzt.
Eine Lithium-Ionen-Batterie umfasst typischerweise mehrere Batteriezellen. Eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithi- um-Ionen-Batteriezelle , umfasst eine Vielzahl von Schichten. Typischerweise umfassen diese Schichten Anoden, Kathoden, Separatoren und weitere Elemente. Diese Schichten können als Stapel oder als Wicklungen ausgestaltet sein.
Die Elektroden umfassen üblicherweise Metallfolien, insbesondere umfassend Kupfer und/oder Aluminium, welche mit einem Aktivmaterial beschichtet werden. Als Aktivmaterial wird dabei typischerweise eine lithiumhaltige Paste, Slurry genannt, aufgetragen. Die Folien und die Beschichtung weisen jeweils eine Dicke von einigen Mikrometern auf. Dadurch haben bereits einige Mikrometer Abweichung der Dicke der Beschichtung oder bei der Materialeigenschaft, insbesondere der Materialzusammensetzung, negative Auswirkungen auf die Qualität der Elektrode. Nachteilig werden bei unregelmäßiger Beschichtung somit qualitativ minderwertige Batteriezellen hergestellt. Weiterhin ist ein sicheres Betreiben der Batteriezelle nachteilig nicht sichergestellt. Derzeit können im Stand der Technik fehlerhafte Beschichtungen häufig erst nach Abschluss des gesamten Produktionsprozesses der Batteriezelle im Rahmen eines sogenannten End-of- line-Tests durchgeführt werden. Teilweise werden fehlerhafte Beschichtungen auch erst nach mehreren Jahren der Batteriezelle im Betrieb festgestellt.
Batteriematerialien für die Batteriezellenfertigung werden in der Herstellung als zähflüssiges Medium (eine Beschichtungspaste, Englisch: Slurry) auf die Elektrodenbahn abgeschieden oder aufgetragen.
Die kontinuierliche Bestimmung von Materialparametern (z.B. Zusammensetzung, Homogenität der Verteilung einer Zutat, Feuchte ...) entlang einer (endlos langen) Fertigungs strecke / Produktbahn (z.B. Batterie-Elektroden, Papierbahn, Stahl, ...) bzw. einer Serienfertigungsanlage (z.B. Kekse, Brezeln, Bremsbeläge, ...) ist von kritischer Bedeutung für das Ergebnis .
Speziell die Batteriezellfertigung (hier bezogen auf Li- lonen-Zellen) ist heute sehr häufig von explorativem Vorgehen geprägt (d.h. eher eine Mischung aus Handwerk und Kunst statt Wissenschaft bzw. komplett verstandener industrieller Prozess) . Das pastöse aktive Material wird dabei auf eine lange Elektrodenbahn (typischerweise sequentiell) auf beiden Seiten aufgebracht, getrocknet und verarbeitet. Dabei sind v.a. Prozessparameter häufig als Kochrezepte (z.B. Trocknung für x Stunden bei y Grad) hinterlegt und werden kaum mittels Sensoren überwacht .
Da für die pastöse Mischung, dem sog. Slurry, aus NMC oder Grafit (als Hauptbestandteile) mit einem Lösemittel und ggf. weiteren Komponenten (z.B. Leitruß) , der auf die Elektrodenbahn aufgebracht wird, die Zutaten in einem Mischer vermengt und hierbei die Homogenität der Mischung und die Viskosität entscheidend für die Performance der späteren Batteriezelle, und somit der gesamten späteren Batterie, ist, muss diese Homogenität der Beschichtung im Herstellungsprozess unbedingt überwacht werden.
Bei einer suboptimal homogenisierten Mischung werden dabei Bereiche auftreten, die beim Beschichten mit mehr oder weniger Lösungsmittel (Wasser, NMP) entstehen. Andererseits, entstehen dadurch auch Bereiche unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung. Weiterhin kann es zu einer ungleichmäßigen De- Agglomeration der Feststoffpartikel kommen, d.h. zu einer Abweichung der Partikelgröße bzw. Partikelgrößenverteilung vom Sollwert, falls der Mischprozess Schwankungen unterliegt. Hierdurch wird ein closed-loop-f eedback zwischen der Erkennung der Inhomogenität und dem Slurry-Mixer ermöglicht.
In der weiteren Verarbeitung können diese Bereiche dann zu ungleichmäßigem Verhalten der hergestellten Elektroden führen und/oder Kurzschlüsse und Ineffizienz in den Batteriezellen verursachen .
Bisher werden als Stichproben extraktiv Stellen aus der produzierten Bahn gestanzt bzw. ganze Abschnitte aus der Produktion entnommen. Das so entnommene Material wird danach im besten Falle mikroskopisch analysiert. Abweichungen der chemischen Zusammensetzung der Schichten oder der Partikelgrößenverteilung können offline (in Laboruntersuchungen) durch Röntgenmethoden nachgewiesen werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung anzugeben, welche die Elektrodenfertigung für Batteriezellen verbessert.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung. Ein Aspekt der Erfindung betrifft die Bestimmung der örtlichen Position von Inhomogenitäten in Elektrodenbahnen bei der Herstellung der beschichteten Elektroden für die Batteriefertigung .
Die Erfindung beansprucht eine Vorrichtung zur hyperspektralen Bildgebung an Elektrodenbanen bei der Elektrodenfertigung für Batteriezellen. Die Vorrichtung weist auf: Mindestens eine hyperspektrale Spektroskopie-Einheit aufweisend eine Zeilenkamera zur Bildgebung, wobei die Spektroskopie-Einheit angeordnet und eingerichtet ist,
- an einem vorgegebenen Ort der Elektrodenfertigung von der sich vorwärts bewegenden Elektrodenbahn hyperspektrale Bilder aufzunehmen,
- aus den Bildern Inhomogenitäten der Elektrodenbahn zu ermitteln, wobei eine Inhomogenität eine Abweichung der chemischen Zusammensetzung der Schichten oder der Partikelgrößenverteilung von vorgegebenen Zielgrößen ist, und
- deren örtliche Position (d.h. eine Ortskodierung) in Längsrichtung der Elektrodenbahn zu ermitteln und zu sichern.
Die Elektrodenbahn ist eine mit dem Slurry beschichtete Trägerfolie. Die Zeilenkamerawird im Englischen als „Push-Broom- Scanner" bezeichnet. „Sichern" wird weit gefasst, auch im Sinne von „speichern" oder „markieren".
Die Wellenlängen der hyperspektralen Bildgebung wählt der Fachmann in Abhängigkeit der zu detektierenden Inhomogenitäten und den Stoffen, aus den der der Slurry, also die auich die Beschichtung der Elektrodenbahn, gebildet ist.
Beispielsweise kann die Inhomogenität durch einen Vergleich mit vorab ermittelten Referenzbildern (= Zielgrößen) den bestimmt werden. Referenzbilder können beispielsweise aus einer früher erzeugten Elektrodenbahn mit einem nachgewiesenen homogenen Aufbau oder aus einer Mittelwertbildung von Bildern, die aus den ersten Metern einer gerade hergestellten Elektrodenbahn stammen, gewonnen werden.
Die Vorrichtung weist eine Umlenkrolle auf, über die die Elektrodenbahn geführt wird, wobei an der Position der Kontaktfläche zwischen der Umlenkrolle und der Elektrodenbahn die Zeilenkamera die Bilder aufnimmt.
In einer Weiterbildung ist die Vorrichtung ausgebildet, das Sichern der örtlichen Position der Inhomogenität durch Markieren auf der Elektrodenbahn auszuführen. Die Markierungen können beispielsweise beim Schneiden der Elektrodenbahn wieder gefunden werden und zum Sortieren verwendet.
In einer Weiterbildung weist die Vorrichtung eine Graviereinheit auf, die eingerichtet ist, das Markieren durch eine Gravur vorzugsweise am Längsrand der Elektrodenbahn auszuführen. Dies kann zum Beispiel durch eine Lasergraviermaschine erfolgen .
In einer Weiterbildung weist die Vorrichtung eine Speichereinheit auf, die eingerichtet ist, spektrale Charakteristika der Inhomogenität als Ortskodierung entlang der Elektrodenbahn derart zu sichern, dass die Position der Inhomogenität anhand der spektralen Charakteristika auffindbar ist. Die gespeicherten Spektren der Inhomogenitäten können beispielsweise beim Schneiden der Elektrodenbahn wieder gefunden werden.
In einer Weiterbildung weist die Vorrichtung ein Fertigungsleitsystem auf, mit dem die Spektroskopie-Einheit verbunden ist und das eingerichtet ist, die Spektroskopie-Einheit zur Messung zu triggern. Dies erlaubt eine spätere lokale Zuordnung der Messung, beispielsweise beim Schneiden und Sortieren von Elektrodenbahnen.
In einer Weiterbildung weist die Vorrichtung eine Auswerte- und Recheneinheit am Ort der Spektroskopie-Einheit auf, wobei die Auswerte- und Recheneinheit eingerichtet ist, Daten der spektros kopis chen Bildgebung in einem Vektor vorzuverdichten und der örtlichen Position zuzuordnen . Dadurch wird ein Maß für die laterale Verteilung von Materialien entlang einer betrachteten Me s slinie ermittelt . D . h . ein Vektor der Inhomogenität wird erstellt .
In einer Weiterbildung ist die Zeilenkamera eine SWIR- Zeilenkamera . Damit ist eine kostengünstige Lösung möglich .
In einer Weiterbildung weist die Vorrichtung in der Spe ktros kopie-Einheit eine KI - Engine auf , die eingerichtet i st , computergestützt die Inhomogenitäten zu ermitteln .
In einer Weiterbildung weist wird die KI - Engine mittels Deep-Learning-Methoden trainiert , um aus den Spektren die Inhomogenitäten zu ermitteln .
Die Erfindung beansprucht auch ein Verfahren zur Ermittlung von Inhomogenitäten mittels hyperspe ktraler Bildgebung an Elektrodenbahnen bei der Ele ktrodenfertigung für Batteriezellen , mit folgenden Schritten :
- Aufnehmen von hyperspektralen Bildern an einem vorgegebenen Ort der Elektrodenfertigung von der sich vorwärts bewegenden Elektrodenbahn ,
- Ermittlung von Inhomogenitäten der Elektrodenbahn aus den Spektren der Bilder , wobei eine Inhomogenität eine Abweichung der chemi schen Zusammensetzung der S chichten oder der Partikelgrößenverteilung von vorgegebenen Zielgrößen ist , und
- Ermittlung und S icherung der örtlichen Position der Inhomogenitäten in Längs richtung der Elektrodenbahn .
An der Position der Kontaktf läche zwischen einer Umlenkrolle , über die die Elektrodenbahn geführt wird, und der Elektrodenbahn werden durch die Zeilenkamera die Bilder aufgenommen .
In einer Weiterbildung des Verfahrens erfolgt das S ichern der örtlichen Pos ition der Inhomogenität durch ein Markieren auf der Elektrodenbahn . In einer Weiterbildung des Verfahrens werden die spektralen Charakteristika der Inhomogenität als Ortskodierung entlang der Elektrodenbahn derart gespeichert, dass die Position der Inhomogenität anhand der spektralen Charakteristika auffindbar ist.
In einer Weiterbildung des Verfahrens werden mittels einer KI - Engine computergestützt die Inhomogenitäten ermittelt.
Die Erfindung bietet u.a. folgende Vorteile:
Messung an einer Umlenkrolle bzw. über einem unterstützenden /stabilisierenden Bahnsegment,
Direkte Online-Bewertung erlaubt ein Closed-Loop- Feedback mit z.B. dem vorgeschalteten Trockner,
Feld-nahe Vorverdichtung der Daten reduziert die Last auf der IT und befähigt durch die damit einhergehende semantische Annotation eine physikalisch „richtige” Bewertung (im Sinne einer realen Messgröße statt „Hausnummer") ,
Schaffung der semantischen Annotation,
Integration in die Fertigungsautomatisierung,
Zuordnung zu einer Position entlang dem „Produkt”,
Rückverfolgbarkeit,
Kontinuierliche Messinformation,
Zerstörungsfrei ohne Probennahme, und eine kontinuierliche Erfassung im Prozess, die eine charakteristische 2D Inhomogenitätsindikation liefert, welche sich zur Identifikation/ einem Wiedererkennen von Bahnsegmenten an nachfolgenden Prozessschritten eignet.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
FIG. 1 die Beschichtung der Trägerfolie,
FIG. 2 die Trocknung der beschichteten Trägerfolie,
FIG. 3 das Kalandern der getrockneten Trägerfolie
FIG. 4 ein Blockschaltbild der hyper spektralen Messanordnung und
FIG. 5 ein Ausschnitt eines Hyperspektralbildes einer Elektrodenbahn .
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
FIG. 1 bis FIG. 3 zeigen schematisch und beispielhaft eine Elektrodenfertigung für Batterien. Als erstes wird eine Trägerfolie 1 mit dem Slurry 2, das aus einem Speicher 7 gefördert wird, über ein Auftragswerkzeug 3, z.B. eine Schlitzdüse, eine Rakel oder eine Rasterwalze, beschichtet (FIG. 1) . Die Trägerfolie 1 wird in Beschichtungsrichtung 4 entweder kontinuierlich oder intermittierend (intermittierende Beschichtung 6 in der Draufsicht 5) beschichtet.
Die Foliendicken (Anode - Kupferfolie und Kathode - Aluminiumfolie) schwanken je nach Batteriezellendesign zwischen
10 pm und 25 pm. Die Trägerfolie 1 wird auf einer Breite von bis zu 900 mm in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess beschichtet. Die Beschichtung der Folienober- und Folienunterseite erfolgt je nach Ausgestaltung der Fertigungsanlage entweder sequenziell oder gleichzeitig. Die Dicke der Beschichtung 6 mit dem Slurry 2 wird in noch feuchtem Zustand mit einer Nassdickenmessung 8 ermittelt.
Nach dem Beschichten (FIG. 1) wird die beschichtete Trägerfolie 1 (auch als Elektrodenbahn bezeichenbar ) direkt in einen Trockner 9 (FIG. 2) geführt. Bei einer simultanen, doppelseitigen Beschichtung wird ein Schwebebahntrockner verwendet. Das Lösungsmittel (Dämpfe 10 über Abzug 12) wird der Beschichtung 6 durch Wärmezufuhr über Luftdüsen 11 entzogen und wieder zurückgewonnen oder der thermischen Verwertung zugeführt .
Die Trocknerlänge ist entscheidend für die realisierbare Durchlaufgeschwindigkeit. Der Trockner 9 ist zur Umsetzung eines individuellen Temperaturprofils in verschieden Temperaturzonen unterteilt. Nach dem Trocknerdurchlauf wird die getrocknete Elektrodenbahn (= beschichtete Trägerfolie 1) auf Raumtemperatur mit einer Kühleinrichtung 13 mit Hilfe von Kühlwalzen 14 abgekühlt.
Bei dem anschließenden Kalandern 15 (FIG. 3) wird die beidseitig beschichtete Trägerfolie 1 durch ein oder mehrere rotierende Walzenpaare 16 verdichtet. Die Verdichtung der Folie erfolgt durch Ober- und Unterwalzen. Das Walzenpaar 16 erzeugt einen exakt einstellbaren Liniendruck. Der Liniendruck bestimmt die Porosität der Elektrodenbahn. Ein zu stark eingestellter Liniendruck erzeugt einen Quetschvorgang und beschädigt die Elektrodenbahn. Die Sauberkeit des Walzenpaars 16 ist für die Vermeidung des Eindringens von Fremdpartikeln in das Substratmaterial entscheidend.
Der Transport der Trägerfolie 1 durch den Kalander 15 erfolgt mit Hilfe eines Zugwerks 17. Der Einzug 18 sorgt für einen sauberen Einlauf von einer Speicherrolle 19 in den Kalander 15. Nach dem Kalandern wird die Elektrodenbahn in einem Rei- nigungswerk 20 gereinigt und als „Mutterspule 21" für eine Weiterverarbeitung zu Batteriezellen, wie zum Beispiel Schneiden, gelagert.
Vorteilhaft erfolgt eine hyperspektrale Messung nach der Trocknung (FIG. 2) oder nach dem Kalandern (FIG. 3) mit einer Zeilenkamera 22 und einer nachgeschalteten Auswerte- und Recheneinheit 23.
FIG. 4 zeigt das Blockschaltbild einer hyperspektralen Messanordnung aufweisend eine Spektroskopie-Einheit 27 mit einer Zeilenkamera 22, welche die hyperspektralen Bilder der beschichteten Trägerfolie (= Elektrodenbahn 26) am Ort einer Umlenkrolle 25 aufnimmt. Die Zeilenkamera 22 ist mit der Aus- werte- und Recheneinheit 23 verbunden, die wiederum mit einem Fertigungsleitsystem 24 der Elektrodenbahnfertigung verbunden ist. Zur Markierung der Elektrodenbahn 26 beispielsweise an festgestellten Inhomogenitäten ist eine Graviereinheit 28 vorgesehen .
Die hyper spektrale Bildgebung in der Variante der Zeilenkamera 22 (= Push-Broom-Scanners : Linienmessung von Spektren mit hoher lateraler d.h. räumlicher Auflösung) wird wie in FIG. 4 dargestellt vorzugsweise an der Umlenkrolle 25 eingesetzt, um a) eine ruhende Elektrodenbahnposition zu betrachten, b) eine Synchronisation mit der Relativbewegung der Elektrodenbahn zu erhalten, c) eine Rückverfolgbarkeit der Position zu ermöglichen und d) eine stabile Messsituation zu schaffen (robust gegen Vibration, verdunkelbar, etc. )
Im SWIR (850-1700nm) zeigen sich bei der Bildgebung (u.a. auch preisgünstig) Signaturen, die sich mit dem Grad der Homogenität der Verteilung der Ausgangsmaterialien verändert. Im NIR (1200-2500nm) sind noch spezifischere Banden möglich, aber der Preis der spektralen Geräte ist hoch. Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten ist die Verwendung des SWIR daher vorteilhaft.
Das spektrale Messsystem ist dabei vorteilhaft an das Fertigungsleitsystem 24 (PLC, Edge, etc. , ) angebunden und erhält von hier Trigger zur Messung, welche eine spätere lokale Zuordnung der Messung erleichtert.
Vorteilhaft ist hierbei die frühe Verarbeitung der Daten im Feld, nahe der Messstelle. Hierdurch sinkt die Last auf dem IT-System, da hohe Datenraten auf Grund der hohen Produktgeschwindigkeit auftreten und selbst moderne Hochgeschwindigkeitsnetze blockieren würden.
Bereits direkt nach der Messung wird daher der Datensatz vorverdichtet und ein Maß für die laterale Verteilung der Materialien entlang der betrachteten Messlinie, d.h. ein Vektor der Inhomogenität, der Bahnposition zugeordnet. Diese Information ist bereits um zwei bis drei Größenordnungen geringer als die Rohdaten der eigentlichen Messung, (ein HSI Frame: 640 x 224 pixel vs . ein Auswerteergebnis: 640 x 1 Vektor oder nur ein skalarer Indikator)
FIG. 5 zeigt einen Messpunkt eines Ausführungsbeispiel. Im linken Bild ist ein Ausschnitt eines Hyperspektralbildes einer Elektrodenbahn dargestellt. Inhomogenitäten sind hier durch unterschiedliche Grautöne repräsentiert. Das rechte Diagramm zeigt die spektrale Auswertung des Pixels mit der Koordinate 50/20. Zu jeder Ortskoordinate x, y des linken Bildes existiert ein Spektrum, das die chemischen Eigenschaften dieses Bildpunktes (=Pixel) beschreibt.
Die gemessenen Spektren können vorzugsweise auf zwei Arten analysiert werden: A) Überwachtes maschinelles Lernen: Kalibration eines Modells, das die Spektren entweder auf einen Zielwert (z.B. Gehalt an Grafit) abbildet oder klassifiziert (z.B. OK, Not- OK) . Hierzu existieren Methoden wie Partial Least Squares, Hauptkomponentenregression, Gauß Prozesse, oder Neuronale Netze .
B) Unüberwachtes maschinelles Lernen: Erkennung von Anomalien, z.B. lokalen Inhomogenitäten in der Beschichtung der Elektrodenbahn (z.B. kann die Varianz der Slurry Deposition an den Außenkanten zunehmen, Schichtdickenveränderungen) . Hierzu können statistische Merkmale berechnet werden, wie z.B. die lokale Varianz bzw. Entropie. Alternativ können Residuen Modelle (z.B. Low-rank PCA approximation, Variational Auto-encoder neural networks) erstellt werden.
In beiden Fällen können die Analysen durch Vorverarbeitungsschritte ergänzt werden, beispielsweise indem der Beschichtungsvordergrund von der Substratfolie freigestellt wird, Sensorinformation nach ihrem Grad der Varianzaufklärung herausgefiltert oder der Kontrast erhöht wird.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugs zeichenliste
1 Trägerf olie
2 S lurry
3 Auftragswerkzeug
4 Beschichtungsrichtung
5 Drauf s icht
6 intermittierende Be schichtung
7 Speicher für S lurry 2
8 Nas sdickenmes sung
9 Trockner
10 Dämpfe
11 Luftdüse
12 Abzug
13 Kühleinrichtung
14 Kühlwalzen
15 Kalander
16 Walzenpaar
17 Zugwerk
18 Einzug
19 Speicherrolle
20 Reinigungswerk
21 Mutter spule
22 Zeilenkamera
23 Auswerte- und Recheneinheit
23 . 1 Speichereinheit
24 Fertigungs leit system
25 Umlenkrolle
26 Elektrodenbahn
27 Spektros kopie-Einheit
28 Graviereinheit

Claims

Patentansprüche
1. Eine Vorrichtung zur hyperspektralen Bildgebung an Elektrodenbahnen (26, 1) bei der Elektrodenfertigung für Batteriezellen, aufweisend : a) mindestens eine hyperspektrale Spektroskopie-Einheit (27) aufweisend eine Zeilenkamera (21) zur Bildgebung, wobei die Spektroskopie-Einheit (27) angeordnet und eingerichtet ist,
- an einem vorgegebenen Ort der Elektrodenfertigung von der sich vorwärts bewegenden Elektrodenbahn (26, 1) hyperspektra- le Bilder aufzunehmen,
- aus den Bildern Inhomogenitäten der Elektrodenbahn (26, 1) zu ermitteln, wobei eine Inhomogenität eine Abweichung der chemischen Zusammensetzung der Schichten oder der Partikelgrößenverteilung von vorgegebenen Zielgrößen ist, und
- die örtliche Position der Inhomogenitäten in Längsrichtung der Elektrodenbahn (26, 1) 25) zu ermitteln und zu sichern, und b) eine Umlenkrolle (25) , über die die Elektrodenbahn (26, 1) geführt wird, wobei an der Position der Kontaktfläche zwischen der Umlenkrolle (25) und der Elektrodenbahn die Zeilenkamera (21) die Bilder aufnimmt.
2. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Sichern der örtlichen Position der Inhomogenität durch Markieren auf der Elektrodenbahn (26, 1) erfolgt.
3. Die Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Graviereinheit (28) , die eingerichtet ist, das Markieren durch eine Gravur am Längsrand der Elektrodenbahn (26, 1) auszuführen.
4. Die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Speichereinheit (23.1) , die eingerichtet ist, spektrale Charakteristika der Inhomogenität als Orts kodierung entlang der Elektrodenbahn (25, 1) derart zu speichern, dass die Position der Inhomogenität anhand der spektralen Charakteristika auffindbar ist.
5. Die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch:
- ein Fertigungsleitsystem (24) , mit dem die Spektroskopie- Einheit (27) verbunden ist und das eingerichtet ist, die Spektroskopie-Einheit (27) zur Messung zu triggern.
6. Die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch:
- eine Auswerte- und Recheneinheit (23) am Ort der Spektroskopie-Einheit (27) , wobei die Auswerte- und Recheneinheit (23) eingerichtet ist, Daten der spektroskopischen Bildgebung in einem Vektor zu verdichten und der örtlichen Position zuzuordnen .
7. Die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeilenkamera (22) eine SWIR-Zeilenkamera ist.
8. Die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spektroskopie-Einheit (27) eine KI - Engine aufweist, die eingerichtet ist, computergestützt die Inhomogenitäten zu ermitteln.
9. Die Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die KI - Engine mittels Deep-Learning-Methoden trainiert ist, aus den Spektren die Inhomogenitäten zu ermitteln.
10. Verfahren zur Ermittlung von Inhomogenitäten mittels hyperspektraler Bildgebung an Elektrodenbahnen (26, 1) bei der Elektrodenfertigung für Batteriezellen, gekennzeichnet durch:
- Aufnehmen von hyperspektralen Bildern an einem vorgegebenen Ort der Elektrodenfertigung von der sich vorwärts bewegenden Elektrodenbahn (26, 1) ,
- Ermittlung von Inhomogenitäten der Elektrodenbahn aus den Spektren der Bilder, wobei eine Inhomogenität eine Abweichung der chemischen Zusammensetzung der Schichten oder der Partikelgrößenverteilung von vorgegebenen Zielgrößen ist, und
- Ermittlung und Sicherung der örtlichen Position der Inhomogenitäten in Längsrichtung der Elektrodenbahn (26, 1) , wobei an der Position der Kontaktfläche zwischen einer Umlenkrolle (25) , über die die Elektrodenbahn geführt wird, und der Elektrodenbahn die Zeilenkamera die Bilder aufnimmt.
11. Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Sichern der örtlichen Position der Inhomogenität durch ein Markieren auf der Elektrodenbahn erfolgt.
12. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die spektralen Charakteristika der Inhomogenität als Orts kodierung entlang der Elektrodenbahn derart gesichert werden, dass die Position der Inhomogenität anhand der spektralen Charakteristika auffindbar ist.
13. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei mittels einer KI - Engine computergestützt die Inhomogenitäten ermittelt werden.
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