Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT zählt weltweit zu den bedeutendsten Instituten im Bereich Laserentwicklung und Laseranwendung. Die Arbeitsschwerpunkte umfassen dabei die Erarbeitung verfahrenstechnischer, physikalischer und werkstoffkundlicher Grundlagen der Laserverfahren. Darüber hinaus verfügt das ILT über weitreichendes Know-how bei der Auslegung sowie der Implementierung von Laserstrahlverfahren in industrielle Fertigungsanlagen. Seit mehr als 20 Jahren arbeitet das Fraunhofer ILT an der Oberflächenbearbeitung und -veredlung sowie dem laserbasierten Schweißen und Fügen. Der Transfer dieser Verfahrenstechniken auf den Bereich der Batteriefertigung ermöglicht die Steigerung der Produktivität und Qualität bei gleichzeitiger Reduktion der Kosten. Durch die Förderung der EFRE-Mittel im Rahmen des Projekts NEXTGENBAT verfügt das Fraunhofer ILT inzwischen über verschiedene Anlagen für die Batteriefertigung im Technikumsmaßstab inkl. verschiedener Laserstrahlquellen für die Umsetzung und Skalierung von industrienahen Prozessen.
R2R-Anlage zur laserbasierten Fertigung von Batterie-Elektroden
Laserbasierte Verfahren in der Elektrodenfertigung haben großes Potenzial, den Energiebedarf in der Produktion zu reduzieren und die Performance der Zellen zu steigern. Das Fraunhofer ILT verfügt über eine kontinuierliche Beschichtungsanlage, in der verschiedene laserbasierte Fertigungsverfahren umgesetzt werden können. Ein Lasertrocknungsmodul erlaubt die schnelle Trocknung von Elektrodenslurry und stellt eine energie- und platzeffiziente Alternative zur konventionellen Trocknung mittels Heißluftöfen dar. Durch eine Multi-Strahl-Optik kann anschließend die Elektrode parallel durch 24 Teilstrahlen mit 4 Scannersystemen kontinuierlich strukturiert werden. Durch die Laserstrukturierung der getrockneten und kalandirerten Elektrode können schnellere Lade- und Entladeraten erzielt und Defekte vermieden werden, wodurch eine längere Lebensdauer der Batteriezelle resultiert. Durch das modulare Design der Anlage können weitere Lasermodule (z.B. Sintern von Festkörper-Elektroden und Vereinzeln von Elektroden) integriert werden.
Batterieschweißmaschine
Für eine schnelle und berührungslose elektrische Kontaktierung von Batteriezellen ist das Laserstrahlschweißen ein vielversprechender Prozess für die Verschaltung von einzelnen Zellen zu Batteriesystemen. Unterschiedliche Zell- und Moduldesigns sowie der Bedarf an höherer Stromtragfähigkeit erzeugen regelmäßig neue Herausforderungen für die Prozess- und Anlagentechnik. Die Batterieschweißaschine am ILT ist mit zwei integrierten Laserstrahlquellen sowie einem hochpräzisen Bildverarbeitungssystem für die unterschiedlichen Fügeaufgaben gerüstet. Sollte eine der thermisch empflichen Batteriezellen durch den Schweißprozess beschädigt werden, kann notfalls ein integriertes Löschsystem das Bauteil kühlen und den Batteriebrand eindämmen.
Glovebox
In der Weiterentwicklung der Lithiumionen-Batterietechnik finden Materialien Verwendung, die zum Teil atmosphärenempfindliche Eigenschaften aufweisen. Somit ist die Prozessierung bestimmter Materialien nur in kontrollierter Reinstatmosphäre durchführbar, um zum Beispiel Oxidationen, Reaktionen mit Wasser oder Karbonatbildungen zu unterbinden. Die in dem Gloveboxsystem integrierten Beschichtungseinheiten für PVD-Verfahren, wie eine Verdampfungseinheit und ein Sputter Coater, ermöglichen Elektrolyt- und Elektrodenmaterialbeschichtungen unter kontrollierter Inertgasatmosphäre.
Analytik und Batterie-Teststand
Für die Analyse der Prozesse wurden innerhalb des Projekts Systeme zur elektrischen Charakterisierung einzelner Zellen und Batteriemodule beschafft. Damit ist die Formation und der Test der Zellen möglich sowie die Durchführung von Lade- und Entladezyklen bei Zellen und Modulen. Ein Impedanzsprektrometer erlaubt die Analyse von Halb- und Vollzellen im Coin-Format, um den Einfluss der Laserverfahren entlang der Prozesskette zu untersuchen. Ein Röntgendiffraktometer (XRD) der erlaubt die Analyse von Batteriekomponenten, vor allem im Bereich der Festkörperelektroden. Damit wird die Phasenstabilität von Funktionskeramiken beim Sintern oder Strukturieren mittels Laserstrahlung untersucht und geeignete Laserverfahren entwickelt.
