Batteriezellen: Energieeffizientere Herstellung und mehr Leistung dank Lasertechnik

Leistungsfähige Batteriezellen sind von entscheidender Bedeutung für die Elektrifizierung des Verkehrssektors. Forscher:innen des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT gelang es nun, laserbasierte Technologien für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln. Das Ergebnis sind Batteriezellen, die schneller geladen werden können sowie eine längere Lebensdauer haben als solche, die auf herkömmliche Art und Weise hergestellt wurden. Hinzu kommt, dass die entsprechenden Herstellungsverfahren wesentlich effizienter sind.

Zwei laserbasierte Fertigungsverfahren

Lithium-Ionen-Akkus sind Teil unseres mobilen Alltags. Sie befinden sich in stationären Energiespeichersystemen, in E-Autos und in Kleinfahrzeugen wie E-Bikes oder Elektroroller. Und während zwar an Alternativen geforscht wird und die Lithium-Ionen-Akkus mit Nachteilen kommen, sind sie derzeit doch noch die beste Lösung. Deshalb arbeiten Forscher:innen weltweit daran, die Technologie weiter zu verbessern.

Ein Team des Fraunhofer ILT in Aachen konnte nun gleich zwei laserbasierte Fertigungstechniken entwickeln. Diese sparen Energie in der Herstellung der Batteriezellen und resultieren in Batteriezellen mit höherer Leistungsdichte und Lebensdauer.

Die Herstellung von Elektroden aus Graphit ist ein wesentlicher Schritt bei der Produktion von Lithium-Ionen-Akkus. Dabei wird eine Kupferfolie im sogenannten Rolle-zu-Rolle-Verfahren mit einer Paste aus Graphit beschichtet. Anschließend trocken die Folie dann im Durchlaufofen bei 160 bis 180 Grad Celsius. Diese Öfen werden mit Gas betrieben und haben einen entsprechend großen Energiebedarf. Mit einer Länge von 60 bis 100 Meter sind sie auch nicht gerade Platzsparend. Im industriellen Maßstab können in solch einem Ofen bis zu 100 Meter Folie pro Minute getrocknet werden.

Trocknung per Laser

Die Anlage des Fraunhofer ILT setzt dagegen auf einen Diodenlaser für die Trocknung. Dabei kommt ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von einem Mikrometer zum Einsatz. Dieser wird durch eine spezielle Optik erweitert, die die Elektrode großflächig belichtet. „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„, erklärt Samuel Fink, Gruppenleiter für Dünnschichtverfahren am Fraunhofer ILT.

Diese Technologie ist nicht nur wesentlich energieeffizienter als die Durchlauföfen, sondern gibt auch kaum Hitze nach außen ab. Die Trocknung mit dem Laser benötigt auch wesentlich weniger Platz. „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 weiter.

Ionen-Autobahnen für schnelleres Laden

Mit einem weiteren laserbasierten Verfahren konnte das Team außerdem die Leistungsdichte und Lebensdauer der Batteriezellen verbessern. Bei diesem Verfahren kommt ein High-Power-Ultrakurzpulslaser (UKP) zum Einsatz, der eine Lochstruktur in die Batterieelektrode einbringt. Diese sogenannten Channels fungieren dann als Ionen-Autobahnen und reduzieren die Wegstrecke, die die Ionen zurücklegen müssen, sodass ein schnellerer Ladeprozess möglich wird. Gleichzeitig beugt dies der Entstehung von Defekten vor, was sich positiv auf die Lebensdauer der Batterie auswirkt.

Das Verfahren, das dabei zum Einsatz kommt, ist zwar prinzipiell bekannt, konnte aber von den Forscher:innen des Fraunhofer ILT erstmals vom Labormaßstab auf einen skalierbaren und industriereifen Prozess transferiert werden. Dabei ist lediglich ultrakurz gepulste Laserstrahlung im Femtosekundenbereich nötig. „ 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„, so Matthias Trenn, Teamleiter am Fraunhofer ILT.

Die Arbeit des Teams konnte zeigen, dass Lasertechnik in der Fertigung in einem Qualitätssprung bei Batteriezellen reduzieren kann. Dabei wird auch die Nachhaltigkeit der Herstellung signifikant verbessert. Nun geht es für die Forscher:innen darum, die Technik von dem Prototypen auf eine industrielle Fertigungsstraße zu skalieren.

via Fraunhofer Gesellschaft