Flaw detection in the coating process of lithium-ion battery electrodes with acoustic guided waves

Gitis, Alexander; Kwade, Arno; Sauer, Dirk Uwe

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2017-099519

Flaw detection in the coating process of lithium-ion battery electrodes with acoustic guided waves = Fehlererkennung im Beschichtungsprozess von Lithium-Ionen-Batterie-Elektroden mit geführten akustischen Wellen

Gitis, Alexander^RWTH*

2017

VerantwortlichkeitsangabeAlexander Gitis

Ausgabe1st ed.

ImpressumAachen : Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe ISEA 2017

Umfang1 Online-Ressource (iv, 109 Seiten) : Illustrationen

ISBN1437-675X

ReiheAachener Beiträge des ISEA ; 101

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Druckausgabe: 2017. - Onlineausgabe: 2017. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2018. - Weiterer DOI: 10.18154/RWTH-2017-099519

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Sauer, Dirk Uwe (Thesis advisor)^RWTH* ; Kwade, Arno (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-07-05

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2017-099519
DOI: 10.18154/RWTH-2017-09951
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/709438/files/709438.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
guided waves (frei) ; horizontally polarized shear waves (frei) ; lamb waves (frei) ; lithium-ion batteries (frei) ; monitoring system (frei) ; production (frei) ; ultrasonic (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Der Energiebedarf aktueller Technologien, wie etwa von Smartphones, Drohnen und Elektrofahrzeugen, zwingt die Hersteller von Lithium-Ionen-Zellen dazu, die Energiedichte ihrer Zellen immer weiter zu erhöhen. Als Folge davon werden vorhandene Sicherheitsmargen nahezu vollständig erschöpft und die Zellen arbeiten nahe an ihren Stabilitätsgrenzen. In dieser Konfiguration haben kleine Inhomogenitäten und Defekte, die während des Produktionsprozesses eingeprägt werden, einen starken Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Zelle. Folglich können unter anspruchsvollen Bedingungen Sicherheitsrisiken entstehen. Die Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen, insbesondere von Elektroden, ist ein komplexer und unerbittlicher Prozess. Er erfordert eine kontinuierliche Überwachung einzelner Prozessparameter sowie der Produktqualität. Vor allem die kontinuierliche Erkennung und Klassifizierung von Adhäsionsverlusten an der Grenzfläche zwischen Beschichtung und Folie ist eine unzureichend analysierte Forschungsfrage und stellt die Zellhersteller vor enorme Herausforderungen. In dieser Dissertation wird eine neuartige, zerstörungsfreie ultraschallbasierte Prüfmethode entwickelt, die auf Lamb-Wellen und horizontal polarisierten Scherwellen basiert und in der Lage ist Adhäsionsverluste an der Grenzfläche zu detektieren. In der vorgeschlagenen Methodik werden die Metallfolien, welche als Substrate in Lithium-Ionen-Batterie-Elektroden dienen, als Wellenleiter und als Sensoren für das Ultraschallmesssignal verwendet. Zunächst wird die Theorie der Lamb-Wellen und der horizontal polarisierten Scherwellen für sowohl einschichtige als auch mehrschichtige Strukturen diskutiert und erweitert. Insbesondere die Anregung und der Empfang geführter akustischer Wellen werden theoretisch und experimentell untersucht. Das Vorhandensein von Inhomogenitäten, wie z.B. Fehlstellen in der Folie, Adhäsionsfehler an der Grenzfläche zwischen Beschichtung und Folie und Lücken im Beschichtungsmaterial, verändert die physikalischen Randbedingungen und beeinflusst die Ausbreitungsparameter der geführten Welle. Die Korrelation zwischen Fehlertypen und Veränderungen in der Amplitude, Frequenz, Energie und Ausbreitungsgeschwindigkeit des empfangenen Signals wird experimentell untersucht und später zur Fehleridentifikation und -klassifizierung genutzt. Die Anregung und der Empfang beider geführter Wellentypen erfolgt mit optimierten Ultraschall-Keilschallwandlern, die auf den beiden unbeschichteten Seitenflächen der Folie positioniert werden. Zudem wurde eine mechanische Konstruktion entwickelt und gefertigt, die bei niedrigem Anpressdrücken einen ausreichenden Schallkontakt sicherstellt, was wiederum ein ungestörtes Gleiten der Folie unter den Sensoren gewährleistet.Die Mehrfrequenzanregung in PZT-Keilwandlern durch die Ausnutzung von Dicken- und Planarschwingungen wird ebenfalls analysiert. Die Fehleridentifikation in blanken Metallfolien erfolgt mit den hochfrequenten Schwingungsanteilen. Dadurch lässt sich die hohe räumliche Empfindlichkeit von kleinen Wellenlängen ausnutzen. Die Ergebnisse zeigen, dass auch 2 mm lange Kratzer und Risse mit diesem Ansatz durch die Analyse der Signalamplitude detektiert werden können. Durch das Beschichtungsmaterial werden die Sensorsignale in der Regel stark gedämpft und verzerrt. Daher lässt sich nur mit dem niederfrequenten Anteil der PZT-Schwingung ein Messsignal mit der notwendigen Amplitude in beschichteten Elektroden anregen und empfangen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Signaländerungen von der Absorptionsrate des Beschichtungsmaterials abhängen. Bei Beschichtungen mit geringerer Dämpfung nimmt das empfangene Signal ab, und bei Beschichtungen mit höherer Dämpfung nimmt das empfangene Signal bei Vorhandensein von Fehlern zu. Die experimentellen Untersuchungen zeigen, dass für die Detektion und Klassifizierung von Adhäsionsdefekten und Beschichtungslücken in Elektroden die Steigung und der Endwert des Integrals der quadratischen Signalamplitude als Messgrößen bevorzugt geeignet ist. Insgesamt konnte der Proof-of-Concept für das entwickelte Diagnose-System erfolgreich erbracht werden.

The energy requirements of current technologies, such as smartphones, drones, and electric vehicles, have forced lithium-ion cell manufactures to relentlessly increase the energy density of their cells. As a consequence, safety margins have been exhausted and cells operate near the edge of stability. In this configuration, minor inhomogeneities and flaws induced during the production process strongly affect cell performance and durability. Consequently, safety risks can emerge under demanding circumstances. The production of lithium-ion cells, especially of electrodes thereof, is a complex process. It requires continuous monitoring of process parameters and of output quality. Particularly, the detection and classification of adhesion losses at the coating-foil interface suffer under inefficient and high-cost monitoring systems. In this dissertation, a novel non-destructive evaluation (NDE) method is developed based on ultrasonic Lamb waves and horizontally polarized shear waves to overcome this shortcoming. In the proposed methodology, metal foils serving as substrates in lithium-ion battery (LIB) electrodes are used as wave guides for measuring ultrasonic signals. The theory of Lamb waves and horizontally polarized shear waves is discussed and extended for singe-layered and multi-layered structures. In particular, the excitation and reception of acoustic guided waves (AGW) are investigated theoretically and experimentally. The presence of inhomogeneities, such as flaws in the foil, adhesion flaws at the coating-foil interface, and gaps in the coating material, changes boundary conditions and influences guided wave propagation parameters. The correlation between flaw types and changes in the received signal amplitude, frequency, energy, and propagation velocity is investigated experimentally and later utilized for flaw identification and classification. The excitation and reception of both guided wave types are performed with optimized ultrasonic wedge transducers, which are positioned on both uncoated side areas of the foil. A mechanical construction was developed and manufactured to ensure valid acoustic contact at low contact pressure conditions, which in turn guarantees an undisturbed sliding of the foil under the sensors. The utilization of little or no couplant media also prevents any coating corruption.Advantages of multi-frequency wave excitation through the utilization of thickness and planar oscillation in piezoelectric ceramic PZT wedge transducers are discussed as well as theoretically and experimentally investigated. Flaw identification in blank foils is performed with the high frequency component of the PZT transducer oscillations. In this way, the high spatial sensitivity of short wavelengths can be exploited. The results prove that even 2 mm long scratches and cracks can be detected with this approach by analyzing the signal’s peak amplitude. In general, the sensing signals are highly damped and distorted by the coating material. Therefore, the low frequency component of the PZT transducer oscillations must be used to excite and to receive appropriate sensing amplitudes. The experimental findings show that signal changes depend on the coating material absorption rate. In coatings with lower attenuation, the received signal decreases, and in those with higher attenuation, the received signal increases in the presence of flaws. The slope and end-value of square signal integrals are identified as the preferred measurands for adhesion and gap flaw detection and classification in electrodes. Overall, the proof of concept for the proposed guided-wave-based monitoring system was successfully provided, and this supports the suitableness of the developed methodology as well as the mechanical setup.

OpenAccess:
PDF
(additional files)