Neue Software für die automatisierte Prüfung von Lithium-Batteriezellen.

Ausgabe 09 | 2023

KI beschleunigt die automatisierte Analyse

Ryf AG

Die Inspektion und Analyse des Anodenüberhangs in Lithium-Ionen-Batteriezellen (LiB) während der Massenproduktion kann automatisch, präzise und zuverlässig durch die Computertomographie (CT) durchgeführt werden, wobei kurze Inspektionszykluszeiten entscheidend sind.

Sie folgt auf die Einführung der auf KI-basierenden LiB.Overhang-Analyse-Software der Industrial Metrology Business Unit der Nikon Corporation.
Die Software ermöglicht einen hohen Produktionsertrag, um die steigende Marktnachfrage nach Batterien zu erfüllen, und führt zu einer geringeren Anzahl teurer Garantieansprüche von Nutzern von Elektrofahrzeugen, Energiespeichersystemen und anderen batteriebetriebenen Geräten. Das Ziel der LiB.Overhang-Analyse ist es, mehr Inline-Inspektionen zu einem früheren Zeitpunkt im Herstellungsprozess zu fördern, um die Produktqualität zu verbessern. Dank der Kombination dieses neuen Analyseansatzes mit der innovativen Mikrofokus-Röntgenquelle, der Rotating-Target- und Half-Turn-CT-Technologie bietet Nikon eine Komplettlösung.

Mit der Geschwindigkeit von Fertigungslinien Schritt halten
Zur Vermeidung von Lithiumplattierung und einer möglichen Dendritenbildung ist die Anode in einer LiB-Zelle grösser als die Kathode, weshalb passive Bereiche auf der Anode vorhanden sind, die als Überhangbereiche bezeichnet werden und denen keine entsprechenden Bereiche der Kathode gegenüberstehen. Die Abmessungen müssen stets innerhalb enger Grenzen liegen, da ansonsten die Leistung der Batterie beeinträchtigt werden kann und im Extremfall eine Selbstentzündung droht. Es ist daher von entscheidender Bedeutung, den Anodenüberhang zu analysieren.
Das Problem bei der herkömmlichen 2D-Röntgeninspektion ist, dass sie zwar schnell ist, aber keine ausreichend präzisen oder wiederholbaren Ergebnisse liefert, da es äusserst schwierig ist, einzelne Schichten mit einem einzigen Kegelstrahl-Röntgenbild zu unterscheiden, insbesondere wenn die Platten nicht vollkommen flach sind.
Die Automatisierung der Überhanganalyse durch die 3D Röntgen-CT, die relativ neu auf dem Markt ist, beseitigt alle diese Probleme. Die LiB.Overhang-Analyse ist schnell genug, um mit der Geschwindigkeit von Fertigungslinien Schritt zu halten, da diese weniger empfindlich auf Rauschen in 3D-Bildern reagiert, die durch Hochgeschwindigkeitsscannen aufgenommen wurden.

Schnell, genau und zuverlässig zu scannen
Dies liegt daran, dass Nikons fortschrittliches KI-Modell für maschinelles Lernen in der Lage ist, frühere Informationen zu nutzen, um Merkmale eines Anodenüberhangs und Fehler in den Zellen zu erkennen und zu klassifizieren, unabhängig vom Vorhandensein typischer Rausch- und Scan-Artefakte. Solche Scandaten könnten zu einem Verwirren herkömmlicher Analysemethoden und somit zu falschen Ergebnissen führen, wenn man versucht, die Anoden- und Kathodenschichten automatisch zu segmentieren. Um ein qualitativ hochwertigeres Bild zu erzeugen, müsste viel langsamer gescannt werden, was die Produktivität der Qualitätskontrolle (QK) beeinträchtigt.
Die speziell für die herstellereigenen Röntgen-CT-Systeme der XT H-Serie entwickelte LiB.Overhang-Analyse-Software ermöglicht es, Batteriezellen schnell, genau und zuverlässig zu scannen, entweder inline oder neben der Fertigungslinie. Nikon-Ingenieure nehmen eine Feinabstimmung sowohl der CT-Scan-Parameter als auch der LiB.Over-hang-Analyse vor, um die Prüfgeschwindigkeit und Wiederholbarkeit des Systems zu optimieren.
Anodenüberhänge werden von Nikons neuer Software automatisch für jede Schicht im Anoden-/Kathodenstapel berechnet. Dabei wird kein einfaches «Gut/Schlecht»-Ergebnis erzielt, sondern es werden numerische Messungen der kritischen Merkmale vorgenommen, sodass die Kunden die für ihre Bedürfnisse relevantesten Statistiken nutzen können. Beide Verfahren ermöglichen es, Montageprobleme frühzeitig zu erkennen und zu quantifizieren, sodass die Daten zur Optimierung des Fertigungsprozesses, zur Erhöhung des Durchsatzes und zur Verringerung des Ausschusses herangezogen werden können. Inspektionsdaten können in einer Datenbank des Manufacturing Execution Systems gespeichert werden, um eine vollständige Rückverfolgbarkeit jeder einzelnen Zelle zu ermöglichen, die mit der Qualität 4.0-Praktiken im Einklang steht.

Effizienz der Prüfung verdoppeln
Weitere einzigartige Nikon-Technologien spielen eine entscheidende Rolle für den Erfolg dieser Inspektionsanwendung, ohne die die erforderliche Hochgeschwindigkeitsdatenerfassung nicht möglich wäre. Eine von diesen besteht darin, die Durchdringungsfähigkeit der leistungsstarken Mikrofokus-Röntgenquellen des Unternehmens zu nutzen. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Wahl des einzigartigen Rotating.Target 2.0, das rotiert, um die Wärme, die durch die kleine Brennfleckgrösse des einfallenden Elektronenstrahls auf der Wolframoberfläche erzeugt wird, schnell abzuleiten, was wiederum eine höhere Leistung als sonst ermöglicht. Auch Nikons Half.Turn CT kann ein-gesetzt werden, wobei die zu untersuchende Probe während des Röntgenzyklus nicht mehr um 360° gedreht werden muss, sondern nur noch um etwas mehr als 180°, um ausreichend Daten für ein Bild von gleicher Qualität zu erhalten, was die Effizienz der Prüfung verdoppelt. Weitere Infos unter https://industry.nikon.com/de-de/produkte/rontgen-ct/lib-overhang-analyse/ oder mittel untenstehendem QR-Code.

INFOS | KONTAKT
Ryf AG
Bettlachstrasse 2
CH-2540 Grenchen
T +41 (0)32 654 21 00
www.ryfag.ch
ryfag@ryfag.ch

www.industry.nikon.com

Februar

KPA, Ulm

Marktplatz für Design, Entwicklung, und Beschaffung von Kunststoffprodukten
28. und 29. Februar
www.kpa-messe.de

März

all about automation, Friedrichshafen

Fachmesse für Industrieautomation in der internationalen Bodenseeregion
5. und 6. März
www.allaboutautomation.de

LOPEC, München

Internationale Fachmesse und Kongress für gedruckte Elektronik
5. bis 7. März
www.lopec.com

emv, Köln

Internationale Fachmesse mit Workshop für Elektromagnetische Verträglichkeit
12. bis 14. März
www.mesago.de

W3+ Fair, Wetzlar

Messe rund um die Technologien Optik, Photonik, Elektronik und Mechanik
13. und 14. März
www.w3-messe.de