In den kommenden Jahren sollen in Europa etwa 1.000 Produktionslinien für Elektrodenfolien gebaut werden; ähnliche Zahlen gelten für Asien und Nordamerika. Um die Qualität inline während der Herstellung zu über­wachen, eignen sich nur berührungslose Systeme. Das Gleiche gilt für die Inspektion der Batteriezellen-Schaumisolation und die Überwachung des Lackierprozesses der Batteriegehäuse. Das Fraunhofer ITWM hat dazu die Terahertz-Messtechnik zur Inline-Beschichtungskontrolle weiterentwickelt.

Die Elektrode ist nach wie vor der teuerste Bestandteil einer Batterie: Sie macht ungefähr die Hälfte des Kaufpreises aus. Darum zahlt sich die Qualitätskontrolle während des Herstellungsprozesses schnell aus.
In den Anlagen zur Beschichtung der Elektroden wird diese Schicht meist als Flüssigkeit – Slurry genannt – auf Kupfer- oder Aluminiumfolien aufgetragen. Für die optimale Leistung der Batterie muss die Beschichtung hinsichtlich Schichtdicke und Homogenität hohe Anforderungen erfüllen. Bisher setzt die Industrie Beta- und Röntgen-Strahlung ein, um die Schichtdicken zu ermitteln. Diese haben den Nachteil, dass sie nur die Gesamtdicke, also die Folie mitsamt Beschichtung, erfassen und damit Differenzmessungen vor und nach dem Beschichten erfordern. Wenn nicht immer an derselben Bandposition gemessen wird, summieren sich die Messfehler im Laufe des Prozesses drastisch.

Präzise Dickenmessungen von absorbierenden oder leitfähigen Schichten

Schneller und genauer messen lässt sich mit Terahertz-Strahlung. Diese Technik misst in Reflexion und erfasst so direkt die Dicke der Beschichtung. Dabei benötigt sie für eine Messung weniger als fünf Millisekunden. Diese Sensorik lässt sich flexibel in der Zahl und Position der Messköpfe sowie der Messfrequenz an die jeweilige Aufgabe anpassen. Die Optimierung auf Frequenzen zwischen 50 GHz und 1 THz und eine angepasste Signalverarbeitung ermöglichen präzise Dickenmessungen an dünnen, stark absorbierenden sowie elektrisch leitfähigen Schichten.

Schichtdickenmessung mit ­Terahertz

Die Terahertz-Messtechnik wird bereits bei der Lackschichtmessung in der Automobilindustrie eingesetzt. Dabei sind über 1.000 Messungen pro Sekunde möglich. Die Einsatzmöglichkeit dieser Messtechnik wurde zudem an einer industriellen Rolle-zu-Rolle Beschichtungsanlage im Zentrum für digitalisierte Batteriezellproduktion des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart gezeigt. Die hierfür genutzte Beschichtungsanlage enthält laserbasierte und kapazitive Abstandssensoren zur indirekten Schichtdickenmessung im nassen (L1 / C1) und trockenen (L2 / C2) Zustand, welche typischerweise für diese Anwendung zum Einsatz kommen. Die zusätzliche Integration eines Terahertz-Sensors ermöglicht den Vergleich zwischen den verschiedenen Messverfahren während der Beschichtung.
Insgesamt wurden im Feldversuch ca. 22 Meter Folie mit Lithium-Eisenphosphat (LFP) beschichtet, was sehr häufig als Kathodenmaterial zum Einsatz kommt. Das Anpassen der Pumpleistung an der Schlitzdüse sowie dem Abstand zwischen Düse und Folie ermöglicht es,  die aufgetragene Schichtdicke zu variieren. Das Ändern dieser Parameter kann allerdings kurzzeitig zum Filmabriss oder starken Inhomogenitäten führen, was die Ausreißer im Messverlauf erklärt.
Die gesamte Beschichtung lässt sich in sieben Phasen einteilen:

• Phase 1 und 7: Folie unbeschichtet
• Phase 2 bis 6: Auftrag von LFP mit unterschiedlicher Schichtdicke

Es fällt auf, dass die Messungen an L2 und C2 im Verlauf der Messungen driften und zum Ende der Messreihe (Phase 7) eine deutliche Abweichung von ca. -20µm zeigen. Ein häufiges Problem bei indirekten Messverfahren. Dies erklärt auch die Abweichungen zur Terahertz-Messung, die als direkte Messmethode keine erneute Referenzierung benötigt. Die Schichtdickenänderungen zwischen den einzelnen Phasen sind sehr gut erkennbar.
Die anschließende Kalandrierung (Verdichtung) der Folie reduziert die Oberflächenrauheit der Schicht und verbessert die elektrischen Eigenschaften der Kathode. Auch die Schichtdicke reduziert sich aufgrund der Verdichtung.
Mehrere Hersteller arbeiten bereits an der Trockenbeschichtung von Batteriefolien, die durch die Verkürzung des Trocknungsprozesses eine signifikante CO2-Reduzierung und damit eine Verbesserung der Umweltbilanz des Herstellungsprozesses bewirkt. Der Einsatz der Terahertz-Messtechnik ist hier besonders vorteilhaft, da Beta- und Röntgen-Strahlung prozessbedingt nicht eingesetzt werden können.

Fehlerdetektion in der Schaumisolation

In neueren Batteriemodulen sind meistens Rundzellen verbaut. Die Zwischenräume werden ausgeschäumt, um die Zellen zu isolieren, zu stabilisieren und vor mechanischen Einflüssen zu schützen. Damit der Schaum seine Funktion bestmöglich erfüllt, darf er keine Fehlstellen wie Luftblasen enthalten und muss gleichmäßig verteilt sein. Folgende Fragestellungen müssen beim Einfließen des Isolationsschaums beachtet werden:

• Wie weit liegen Anode und Kathode von der Außenwand entfernt?
• Wie dick ist die sie umgebende Schaumschicht?
• Wurde die Rundzelle beim Ausschäumen des Gehäuses beschädigt?
• Drückt sie an die Gehäusewand?

Gängige Qualitätsstandards fordern, dass höchstens eine Rundzelle pro Package defekt sein darf. Defekt heißt in diesem Fall, dass sie unten oder oben aufplatzt. Darüber hinaus muss ausgeschlossen werden, dass defekte Zellen intakte Zellen zerstören.
Auch hier kann die Terahertz-Messtechnik unterstützen, da das Schaummaterial in diesem Frequenzbereich transparent ist.