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Anwendung für Ultrakurzpulslaser

Hochraten-Laserablation für flexibles Batteriedesign

12. November 2020, 12:45 Uhr   |  Nicole Wörner

Hochraten-Laserablation für flexibles Batteriedesign
© Fraunhofer ILT

Mit einem maßgeschneiderten Prozess kann das Fraunhofer ILT mit einem leistungsfähigen UKP-Laser Anodenmaterial mit bis zu 1760 mm3/min von sehr dünnen Kupferfolien abtragen, um so Flächen für die elektrische Kontaktierung freizulegen.

Wissenschaftler des Fraunhofer ILT haben eine neue Methode entwickelt, um das Anodenmaterial von Lithium-Ionen-Akkus mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung schnell, zuverlässig und beschädigungsfrei abzutragen.

Nicht nur in der Elektromobilität, sondern auch bei der Unterhaltungselektronik spielen Lithium-Ionen-Akkus eine wichtige Rolle. Die Batteriehersteller stehen vor einer produktionstechnischen Herausforderung, denn sie müssen unterschiedlichste Akkuformate auf einer Fertigungslinie fertigen. Ein wichtiger Fertigungsschritt hierbei ist die Beschichtung der metallischen Trägerfolie mit dem sogenannten Aktivmaterial. Es handelt sich um eine hauchdünne Beschichtung, die als Paste auf die wenige Mikrometer dünne Kupfer- oder Aluminiumfolie aufgebracht wird. Wegen der anschließenden elektrischen Kontaktierung der Elektroden über sogenannte Tabs müssen Teilbereiche der Metallfolie unbeschichtet bleiben. Hierfür wird der Beschichtungsprozess immer wieder unterbrochen und neu gestartet. Erschwerend kommt hinzu, dass wegen steigender Marktdurchdringung und Erschließung neuer Anwendungsbereiche die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Akkus unterschiedlicher Geometrien stetig steigt.

Schnelle Elektroden-Produktion erfordert flotten Prozess

Gefragt ist daher nicht nur eine schnelle, sondern auch eine flexible Elektrodenfertigung. Ein Lösungsansatz besteht darin, statt der technisch sehr aufwändigen Teilbeschichtung die gesamte Folie vollflächig zu beschichten, um anschließend nur die für die elektrische Kontaktierung nötigen Stellen mit dem Laser freizulegen. »Die Bänder der Produktionsanlagen laufen in der Regel mit Geschwindigkeiten von etwa 60 m/min«, erklärt Dr. Karsten Lange, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe Mikro- und Nanostrukturierung am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT. »Die Idee, die Flächen mit dem Laser freizulegen, scheiterte bisher an der Produktivität der Ablation. Auch die Qualität der Laserablation entsprach nicht den hohen Ansprüchen an eine gut zu schweißende Kontaktstelle.«

Darüber hinaus sind die Trägerfolien in der Regel nur 6 bis maximal 15 µm dünn. Dementsprechend bedarf es eines Laserprozesses, der hochproduktiv und rückstandsfrei die Kontaktstellen freilegt – ohne dabei die hauchdünnen Trägerfolien zu schädigen.

Der neue UKP-Ansatz

Das Fraunhofer ILT entschied sich daher für den Einsatz eines leistungsfähigen UKP-Lasers. »Die Herausforderung besteht darin, die gesamte Schicht des Aktivmaterials mit einer Überfahrt rückstandsfrei zu entfernen, ohne dabei die dünne Metallfolie zu schädigen«, erläutert Lange. »Mit dem von uns entwickelten Prozess gelingt es uns, mit dem UKP-Laser graphitbasiertes Anodenmaterial mit bis zu 1760 mm3/min von einer zehn Mikrometer dünnen Kupferfolie abzutragen, ohne sie zu beschädigen.« In naher Zukunft soll es möglich sein, die Abtragraten durch den Einsatz der neuen Generation von UKP-Lasersystemen mit Multi-kW-Ausgangsleistung, wie sie derzeit im Fraunhofer Cluster of Excellence Advanced Photon Sources CAPS entwickelt werden, noch weiter zu steigern.

Die Laserablation hat sich unter Laborbedingungen bewährt; nun hofft das Fraunhofer ILT auf die Weiterentwicklung zum serienreifen Verfahren. »Daher haben wir kürzlich ein Hochleistungs-UKP-Lasersystem installiert, das in ein Rolle-zu-Rolle-System integriert ist und uns die Möglichkeit gibt, die Laserablation in einem kontinuierlichen Prozess zu untersuchen«, sagt Lange. »Wir suchen Partner, um die Laserablation mit UKP-Laser in einem Industrie- oder Forschungsprojekt weiterzuentwickeln.«

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