Fraunhofer ILT entwickelt industriereife Lasertechnik für Herstellung von Batteriezellen

Im Bild die Lasertechnik für die Herstellung von Batteriezellen, bei der ein Diodenlaser bei der Trocknung eingesetzt wird.Foto: Fraunhofer ILT
Die Trocknung mit dem Diodenlaser senkt den Energiebedarf um bis zu 50 Prozent und den Platzbedarf für eine Trocknungsanlage im Industriemaßstab um mindestens 60 Prozent.
Forscher:innen des Fraunhofer ILT haben laserbasierte Technologien für die Fertigung von Lithium-Ionen-Akkus entwickelt. Diese sollen deutlich kürzere Ladezeiten und längere Lebensdauern von Lithium-Ionen-Akkus bieten als bei auf herkömmliche Art und Weise hergestellten Produkten.

Bei der Produktion von Lithium-Ionen-Akkus ist die Herstellung der Elektroden aus Graphit einer der wesentlichen Arbeitsschritte. Eine Kupferfolie beschichtet man im Rolle-zu-Rolle-Verfahren mit einer Graphitpaste und trocknet sie anschließend im Durchlaufofen bei 160 bis 180 Grad Celsius. Die mit Gas betriebenen Durchlauföfen haben einen hohen Energieverbrauch. Außerdem nehmen die Öfen, in denen die Kupferfolie auf einem Laufband durchläuft, sehr viel Platz ein. Sie sind zwischen 60 und 100 Meter lang und trocknen im industriellen Maßstab pro Minute bis zu 100 Meter Folie. Die Expert:innen des Fraunhofer ILT in Aachen haben nun eine Anlage entwickelt, in der Lasertechnik die Trocknung der Elektroden für die Batteriezellen übernimmt.

Eine spezielle Optik erweitert den Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1 Mikrometer. Somit kann man die Elektrode großflächig belichten. Die Optik hat der Industriepartner Laserline speziell für die Trocknungsanlage entworfen. Samuel Fink, Gruppenleiter für Dünnschichtverfahren am Fraunhofer ILT, erklärt das Wirkprinzip des Vorgangs: „Anders als bei der Heißlufttrocknung wirft unser Diodenlaser einen Strahl in hoher Intensität auf die mit Graphitpaste beschichtete Kupferfolie. Das tiefschwarze Graphit absorbiert die Energie. Durch die einsetzende Wechselwirkung erwärmen sich die Graphitpartikel und die Flüssigkeit verdampft.“

Die Fraunhofer-Technologie bietet laut den Forscher:innen mehrere Vorteile: Im Vergleich zu den stromfressenden Durchlauföfen arbeitet der Diodenlaser sehr energieeffizient, zugleich gibt die Anlage kaum Hitze nach außen ab. Zusätzlich benötigt die Lasertrocknung deutlich weniger Platz als herkömmliche Öfen. „Die Trocknung mit dem Diodenlaser senkt den Energiebedarf um bis zu 50 Prozent und den Platzbedarf für eine Trocknungsanlage im Industriemaßstab um mindestens 60 Prozent“, so Fink.

Lasertechnik für Herstellung von Batteriezellen mit mehr Leistung

Dem Team am Fraunhofer ILT ist es zudem gelungen, die Leistungsdichte und die Lebensdauer der Lithium-Ionen-Akkus zu verbessern. Auch hier steht Lasertechnik im Mittelpunkt, diesmal allerdings ein High-Power Ultrakurzpulslaser (UKP) mit 1 Millijoule Pulsenergie, der eine Lochstruktur, die sogenannten Channels, in die Batterieelektrode einbringt. Diese Channels dienen als Ionenautobahnen. Somit kann man die Wegstrecke der Ionen deutlich reduzieren und somit einen schnelleren Ladeprozess ermöglichen. Das soll gleichzeitig der Entstehung von Defekten vorbeugen, was wiederum die Zahl der möglichen Ladezyklen und letztendlich die Lebensdauer der Batterie erhöht.

Das laserbasierte Verfahren zur Erzeugung der Lochstrukturen und der positive Einfluss auf die Batteriezelle sind im Prinzip bekannt. Doch den Fraunhofer-Forschenden ist es gelungen, das Verfahren vom Labormaßstab auf einen skalierbaren industriereifen Prozess zu transferieren. Dabei wird ultrakurz gepulste Laserstrahlung im Femtosekundenbereich verwendet, um die Elektroden zu modifizieren. „Die kurze Wechselwirkungszeit der Laserpulse reicht dabei aus, das Material abzutragen, verhindert aber gleichzeitig das Anschmelzen der Löcher, wodurch ein Leistungsverlust der Batterie vermieden wird“, sagt Matthias Trenn, Teamleiter Surface Structuring am Fraunhofer ILT.

Eine Herausforderung bestand darin, mit diesem Verfahren auch größere Flächen zu bearbeiten, um den für die industrielle Fertigung notwendigen hohen Durchsatz zu erreichen. Das Fraunhofer-Team löste das Problem, indem es eine Multistrahl-Anordnung zur parallelen Prozessführung verwendet. Vier Scanner mit jeweils sechs Teilstrahlern fahren parallel über das Band. Sie decken eine Breite von 250 Millimetern ab und bearbeiten dabei kontinuierlich die Elektrodenschicht. Entwickelt und umgesetzt wurde die Multistrahl-Optik in enger Zusammenarbeit mit der Pulsar Photonics GmbH, einem 2013 gegründeten Spin-off des Fraunhofer ILT.

Besucherinnen und Besucher der Hannover Messe 2023 können auf dem Fraunhofer-Stand (Halle 16, Stand A12) eine Demo erleben, die den Aufbau der Anlage veranschaulicht.

4.4.2023 | Quelle: Fraunhofer ILT | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH

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