Der Fertigungsprozess von Batterien umfasst viele Prozessschritte, in denen Line Scan Bars von Mitsubishi Electric neben der Qualitätssicherung auch zur Prozesskontrolle und -optimierung eingesetzt werden können. (Quelle: Mitsubishi Electric)
Laut Statista betrug die weltweite Gesamtkapazität zur Herstellung von Batterien im Jahr 2023 über 2,2 TWh. China stellte in diesem Jahr etwa 80 % der weltweiten Batteriekapazität. In Europa war Deutschland mit 118 GWh Batteriekapazität der größte Markt. „Aktuell hat Asien einen relativ großen Marktvorsprung im Bereich der Batterieproduktion. Doch hohe Ausschuss quoten von bis zu 35 % sind dort mitunter die Regel. Wenn es in Europa durch den Einsatz moderner Anlagen und geeigneter Technologie sowie optimierter Prozesse gelingt, diese Quote deutlich unter die in Asien gängigen Werte zu drücken, dann ergibt sich daraus eine sehr interessante Chance, die momentanen Marktverhältnisse drastisch zu verschieben“, ist Jan Friedrich, Business Development Manager Systeme bei Mitsubishi Electric Europe, überzeugt.
Der Herstellungsprozess und seine Optimierungspotenziale
Der Fertigungsprozess von LithiumIonenAkkus und Batterien auf Basis anderer chemischer Bestandteile geschieht prinzipiell wie folgt: Viele Prozessschritte bestehen darin, Beschichtungen von zum Teil seltenen und damit teuren Materialien auf dünnen Trägerfolien zu realisieren und daraus die für die Batterien erforderlichen Anoden, Katoden und Trennfolien zu produzieren. Diese müssen anschließend in der korrekten Abfolge geschichtet und in Gehäuse verpackt werden. Treten bei diesen Abläufen Fehler auf, ist ein Recycling der eingesetzten Materialien meist schwierig, da es dafür noch kaum industriell etablierte und effiziente Verfahren gibt. Dadurch wird Ausschuss teuer und macht den Gesamtprozess schnell unwirtschaftlich.
Um die Fehlerquote und damit den Ausschuss zu reduzieren, ist es laut J. Friedrich erforderlich, jeden einzelnen Prozessschritt während der Produktion von Batterien zu überwachen und auftretende Fehler somit schon frühzeitig im Prozess zu erkennen. Für die Prüfung von Folien, die bei der Batterieherstellung eine grundlegende Rolle spielen, hat Mitsubishi Electric eine spezielle Technologie im Programm: Line Scan Bars, mit denen sich viele Prozessschritte überwachen lassen und die somit helfen, den Produktionsprozess zu verbessern.
Optimal für die Qualitätsprüfung
Line Scan Bars erfassen die Bilddaten flacher Endlosmaterialien und Bahnware zeilenweise sowie mit einem Abstand von wenigen Millimetern zwischen Sensor und Prüfobjekt. Ihre optische Auslegung erlaubt eine optimale Beleuchtung sowie eine verzerrungsfreie Bildaufnahme, was die anschließende Auswertung einfach und zuverlässig macht. „Für die Qualitätsprüfung von Papier, Textilien, Stahlblechen und anderen flachen Objekten haben sich unsere Line Scan Bars in den vergangenen Jahren sehr gut etabliert und sind dort teilweise sogar zum Standard geworden“, berichtet J. Friedrich.
Diesen Status können die Produkte von Mitsubishi Electric nach seiner Einschätzung schon bald auch in der Batteriefertigung erreichen, um die beiden dort vorliegenden Hauptaufgaben in der Qualitäts- und Prozesskontrolle zu übernehmen: Zum einen ermöglichen sie eine sichere und schnelle Inspektion von Folien auf Fehler, Kratzer, Löcher oder Verfärbungen, die zu einer reduzierten Leistung der Batterien führen können. Zum anderen sind sie optimal dazu geeignet, die Maßhaltigkeit von Beschichtungen sowie Abstände und andere geometrische Vorgaben zu überprüfen.
„Die kompakte Bauweise in Kombination mit der hohen Genauigkeit aufgrund der telezentrischen Auslegung macht Line Scan Bars zur perfekten Aufnahmetechnologie für diese Aufgabenstellung“, betont der Business Development Manager. „Sie lösen selbst das grundlegende Problem, dass die verwendeten Folien und Beschichtungen oft sehr stark reflektieren. Mit Line Scan Bars können trotzdem gute Bilder erfasst werden, auf deren Grundlage ein hochgenaues Vermessen möglich ist.“
Standort Europa pushen
Alleine die guten optischen Eigenschaften dieser Produkte sind jedoch noch nicht der Grund für J. Friedrichs Zuversicht, die weltweiten Marktverhältnisse in der Batterieproduktion zugunsten Europas verschieben zu können. Mitsubishi Electric liefert weltweit unter anderem Steuerungstechnik, Antriebe, Visualisierungslösungen und weitere Automatisierungskomponenten. „Wir stellen in zahlreichen Branchen das erforderliche Equipment für effiziente Produktionsprozesse und haben langjährige und vielfältige Erfahrungen in Anlagen aller Art gesammelt, in denen unterschiedliche Produkte hergestellt werden. In Kombination mit den Möglichkeiten unserer Line-Scan-Bar-Technologie wollen wir dieses geballte Wissen als strategisch technischen Vorteil nutzen, um die Batteriefertigung in Europa als Partner zu begleiten“, sagt J. Friedrich.
Die Besonderheit, die das Unternehmen zum Erreichen dieses ambitionierten Ziels bieten kann, besteht in der optimalen Abstimmung der gesamten Automatisierungsausrüstung und der Realisierung von Closed-Loops zur Prozesskontrolle und -optimierung. Auf Basis seiner Factory-Automation-Komponenten schafft das Unternehmen somit eine durchgängige Lösung, die die Effektivität von Produktionsabläufen optimiert. Line Scan Bars sind dabei die Schlüsselkomponente, die mehr als die reine Qualitätsprüfung übernehmen kann, erläutert J. Friedrich: „Diese Zeilensensoren können, in Zusammenarbeit mit Systemen zur Bildanalyse als OPC-UA-Client, standardisiert mit übergeordneten OPC-UA-Servern in den Anlagen kommunizieren und erlauben auf diese Weise direkte Rückmeldungen von Ergebnissen an die Anlage. Die von uns entwickelte Architektur, basierend auf dem OPC-UA-Standard, ermöglicht eine schnelle und einfache Anpassung von Einstellungen der beteiligten Automatisierungskomponenten und somit eine umgehende Rückkopplung, sobald Messwerte an einer beliebigen Stelle im Prozess nicht den Vorgaben entsprechen. Durch eine sofortige Reaktion der Anlage können Einstellungen sowohl an Automatisierungssystemen in der Anlage als auch an den Line Scan Bars optimiert und dadurch teurer Ausschuss reduziert werden.“