Fraunhofer erforscht Fertigungsalternativen in der Batterieproduktion Laserlicht ersetzt Ofentrocknung und Vakuum-Technik

Der Weg zu kostengünstigeren Batterien, unter anderem für E-Mobility-Lösungen, führt auch über möglichst energie- und kosteneffiziente Herstellungsprozesse

Im Rahmen der Projekte »DRYLAS« und »ProSoLiBat« arbeiten die beiden Fraunhofer-Institute ILT und IKTS hier eng zusammen

Im Rahmen des Projekts »DRYLAS« arbeitet das Dresdner Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS mit dem Aachener Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT an der energieeffizienten, laserbasierten Trocknung von Elektrodenbeschichtungen für Lithium-Ionen-Akkus. Konkret geht es dabei um die Trocknung der Elektroden-Schichten, sogenannte Slurries, die während der Batterieproduktion nass-chemisch auf die stromleitenden Materialien aufgebracht werden.

Bisher werden zur Trocknung Durchlauföfen eingesetzt. Sie entfernen die in den Slurries enthaltenden Lösemittel während der Trocknung. Wie Dr. Dominik Hawelka, Forscher am Fraunhofer ILT erläutert, »ist der Energieeintrag in die Schichten in den Durchlauföfen nicht besonders energieeffizient, wenn man das im Vergleich zur Energieeinbringungen mittels Laserstrahlung betrachtet. Aus diesem Grund setzen wir zur Trocknung auf das Werkzeugt Licht.« Beide Institute haben darum als Alternative einen Inline-Prozess entwickelt, der sich bereits bei ersten Tests mit einem Faserlaser-Trocknungsmodul in einer sogenannten Rolle-zu-Rolle-Anlage des Fraunhofer IKTS in Dresden bewährt hat. »Wir können die Laserstrahlung direkt in die Slurries einbringen und sie so wesentlich effizienter trocknen«, berichtet Dr. Hawelka.

Der neue Trocknungsprozess kommt etwa mit der Hälfte der sonst beim Durchlaufofen notwendigen Energie aus. Beide Institute haben zudem nachgewiesen, dass sich mit den Faserlaser-getrockneten Elektroden Batteriezellen aufbauen lassen, die genauso einwandfrei funktionieren wie konventionell im Durchlaufofen behandelte Komponenten.

Seine Kompetenz in Sachen Lasertechnik nutzt das Fraunhofer ILT aber auch zur Realisierung photonischer Prozess- und Anlagentechnik im Rahmen des BMBF-Förderprojekts »ProSoLitBat«, das die Schmid Energy Systems aus Dunningen koordiniert. Im Mittelpunkt dieses Projekts steht die industrielle, kontinuierliche Produktion von Lithium-Festkörperbatterien in Dünnschichttechnik. Ziel des Projekts ist es, bis 2017 eine Rolle-zu-Rolle-Prozesskette als Alternative zu dem bisher eingesetzten Vakuumverfahren zu entwickeln

Das bisher genutzte, diskontinuierlich arbeitende Vakuumverfahren ist sehr aufwändig und kostenintensiv. »Im Gegensatz dazu lassen sich durch eine kontinuierliche Fertigung signifikant höhere Stückzahlen zu geringeren Kosten produzieren«, so Christian Hördemann, Wissenschaftler am Fraunhofer ILT, »wodurch die Lithium-Feststoffbatterien deutlich breitere Anwendungsmöglichkeiten finden werden«. Nun wird eine erste, unter Schutzgas arbeitende Versuchsanlage aufgebaut, die es mit ihrem integrierten Ultrakurzlaser ermöglicht, Batterien zu konfektionieren. Schmid Energy Systems wird dann den in Aachen entstanden Prozess zur Serienreife bringen.