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Batteriezellen-Messsystem von Keysight halbiert Dauer der LIB-Zellfertigung

Testmethode halbiert Zeitbedarf
Batteriezellen-Messsystem von Keysight

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Keysight Technologies kann die Dauer der Lithium-Ionen-Zellfertigung in etwa halbieren und die Fertigungskosten um annähernd 3 % senken. Schlüssel ist ein neues Messverfahren, das die abschließende Qualitätsprüfung erheblich beschleunigt.

Hartmut Hammer, freier Mitarbeiter der KEM Konstruktion

Nach ihrer Produktion durchläuft jede Batteriezelle die sogenannte Formierungsphase. Dort wird die Zelle mehrmals geladen und entladen, geprüft, zwischengelagert und nach dieser Ruhephase auf Selbstentladung getestet. Das Problem: diese Ruhephase dauert 10 bis 14 Tage, bevor man durch einen Vergleich der Zellspannung vor und nach der Lagerung den Grad der Selbstentladung bestimmen kann. Diese lange Lagerphase bindet nicht nur beträchtliche Hallenkapazitäten und Kapital, sondern erhöht auch das Risiko von Kurzschlüssen (bei Zellen mit Produktionsfehlern) und verhindert eine schnelle Rückkoppelung von eventuellen Produktionsfehlern in den Produktionsprozess. Keysight Technologies, ein aus Hewlett Packard und Agilent hervorgegangenes Unternehmen, ist das Problem mit einer neuen Messmethode angegangen. Sie wird inzwischen bei einem Kunden in Serie eingesetzt. Die potentiostatische Messmethode ist laut Thomas Götzl, Managing Director Keysight Technologies Deutschland GmbH, München, zuständig für das Automotive-Geschäft, „weltweit bisher einzigartig“. Bei ihr wird nicht die Zellspannung, sondern indirekt der Selbstentladungsstrom, ermittelt. Dazu wird die Batteriezelle mit einem geringen Ladestrom aufgeladen und parallel dazu die Batteriespannung gemessen. Der Ladestrom entspricht einem empirischen Mittelwert aus Ladevorgängen von anderen Zellen und kann stufenlos verändert werden. Sobald die gemessene Zellspannung konstant bleibt, kann man daraus folgern, dass der dann anliegende Ladestrom der Selbstentladung der Zelle entspricht.

Genaue Selbstkalibrierung des Messgeräts

„Obwohl diese Methode im ersten Moment banal erscheint, stecken doch einiges an Know-how und ein Patent dahinter“, so Götzl. „Das Patent schützt eine Methode, mit der wir die Ladespannung im Messgerät mindestens so hochpräzise halten wie die Batteriezelle ihr Spannungsniveau. Des Weiteren haben wir eine sehr genaue Selbstkalibrierung des Messgeräts entwickelt.“ Dank der potentiostatischen Messmethode kann Keysight die Zeitspanne von Produktionsbeginn bis zur Messung der Zellqualität und damit der Auslieferung der Zellen an die Kunden von bisher etwa 20 Tagen auf etwa die Hälfte verkürzen. Denn es muss bis zur Qualitätsprüfung nicht mehr 10 bis 14 Tage gewartet werden, bis sich ein eventueller Spannungsunterschied in der Zelle zeigt. Vielmehr kann schon zwei bis drei Tage nach der Zellaufladung – sobald die Zellchemie zur Ruhe gekommen ist – die Selbstentladung gemessen werden. Weiterhin hat sich bei der potentiostatischen Messmethode in der Regel innerhalb von nur 10 bis 30 Minuten ein Gleichgewicht zwischen Ladestrom und Selbstentladung eingependelt. Das Unternehmen kann nach Angaben von Götzl dank der selbst entwickelten Auswertungs- und Analysesoftware auch eine genauere Einstufung der Zellqualität vornehmen, abhängig von den vorgegebenen Qualitätsparametern der Zellhersteller. Zudem sei es durch die Integration von geeigneten Korrekturfaktoren gelungen, die Einflüsse von Umgebungsbedingungen weitgehend zu kompensieren. Damit müssten beispielsweise die Temperaturen bei den vorhergehenden Lade- und Entladevorgängen, beim Lagern und den daran anschließenden Messungen nicht mehr unbedingt identisch sein. Inzwischen setzen laut Götzl mehrere Zellenhersteller die Messstation des Spezialisten für Serientests ein. Mit der „Self Discharge Analyzer“ genannten Messstation sind prismatische, Rund- und Pouchzellen mit verschiedenen Kapazitäten überprüfbar. Die Qualitätsprüfung am Ende der Zellproduktion wird nicht das einzige Anwendungsgebiet der Messstation bleiben. Götzl: „Bei der Entwicklung von Batteriezellen kann das Messverfahren aus den gleichen Gründen die Entwicklungsgeschwindigkeit steigern. Sogar die Modul- oder Batterieproduzenten interessieren sich sehr für unsere Technik, um die Wareneingangskontrolle der Zellen zu optimieren.“

Lagerkosten lassen sich halbieren

Die Zellhersteller können dank der kürzeren Lagerdauer der Zellen entweder ihre bisherigen Lagerflächen in etwa halbieren oder die freiwerdenden Lagerflächen für einen höheren Durchsatz nutzen. Die Boston Consulting Group hat errechnet, dass 2018 knapp 11 % der Kosten in der Zellproduktion auf das Konto der Formierungsphase geht, davon wiederum gut die Hälfte auf die Lagerphase vor der Qualitätsprüfung. Diese Lagerkosten können laut Götzl in etwa halbiert werden, was die Produktionskosten für eine Zelle um etwa 2,7 % verringert. Sind weniger Zellen auf Lager, sinkt auch das potenzielle Risiko eines Kurzschlusses mit anschließendem Brand einer Zelle. Nicht zuletzt erhält der Zellhersteller ein viel schnelleres Feedback für die Zellproduktion, da schon nach wenigen Tagen Rückschlüsse auf die Prozessqualität in der Zellfertigung möglich sind. jg

Details zu den Lithium-Ionen-Batterie Self-Discharge-Messlösungen von Keysight (engl.):

hier.pro/mWgOK

Kontakt:

Keysight Technologies Deutschland GmbH
Herrenberger Strasse 130
71034 Böblingen
Tel. +49 7031 4641
contactcenter_germany@keysight.com
www.keysight.com/de/

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