17 Jun UKP-Laser revolutionieren Batterie- und Wasserstofftechnologie
In der Displayherstellung sind die ultrakurzgepulsten (UKP) Laser schon heute Standard, noch mehr und noch größere Anwendungen werden in den nächsten Jahren hinzukommen. Auf dem 6. UKP-Workshop: Ultrafast Laser Technology des Aachener Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT am 21. und 22. April 2021 wurden die nötige Technik und die passenden Prozesse vorgestellt. Das Spektrum reicht dabei von ultrastarken Strahlquellen bis zu Prozessen, mit denen man die Oberfläche einer Metallelektrode zur Wasserstofferzeugung tausendfach vergrößern kann.
Dieses Jahr fand die Netzwerkveranstaltung online statt. Das Fraunhofer ILT nutzte die Gelegenheit zu virtuellen Laborführungen, die bei einer Präsenzveranstaltung mit der Vielzahl der Teilnehmer bislang nicht durchführbar waren.
Weltrekorde bei den Strahlquellen
Bei den Strahlquellen setzt die Fraunhofer-Gesellschaft mit dem Cluster of Excellence Advanced Photon Sources (CAPS) weltweit Maßstäbe. Der Weltrekord wird mit 10 kW mittlerer Leistung aus einem kohärent gekoppelten Faserlaser am Fraunhofer IOF in Jena gehalten. Am Fraunhofer ILT in Aachen wird in diesem Sommer ein 5 kW Slab-System einsatzbereit sein. Neu ist dabei das Pumpen mit sechs statt zwei Pumpstrahlen an jedem Slab. Aus 6 kW Diodenpumpleistung werden am Ende 2 kW UKP-Leistung pro Verstärkerstufe. Sowohl in Jena als auch in Aachen stehen Industriepartnern und Interessenten die Strahlquellen in CAPS-Applikationslaboren für Versuche zur Verfügung.
Zu der Frage, wann solche Leistungen zum Standard in der Industrie werden, präsentierte Dr. Rudolf Weber von der Universität Stuttgart eine interessante Statistik: Demnach hat sich die durchschnittliche Leistung von UKP-Systemen sowohl in der Industrie als auch in der Forschung in den letzten 20 Jahren alle drei Jahre verdoppelt. Mit der Einführung von Multi-kW-Systemen in industrielle Standardverfahren ist der Statistik zufolge bis 2025 zu rechnen. Schon jetzt ist absehbar, dass neue Laser-Verfahren zur Mikrostrukturierung von Oberflächen mit kW-Strahlquellen neue Märkte erschließen werden.
Schutz vor Röntgenemission
Mit der Röntgenemission diskutierte Dr. Roswitha Giedel-Wagner, GFH, einen besonders kritischen Effekt bei der Nutzung industrieller UKP-Laser. Bei GFH werden Lasermaschinen für die Mikromaterialbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern für eine breite Anwendungspalette gebaut, Emissionen werden genau vermessen und die Schutzkonzepte entsprechend angepasst. Aufgrund der derzeitigen Strahlenschutzverordnung steht oft die Umsetzbarkeit einfachster Prozesse ohne ein aufwendiges Genehmigungsverfahren infrage. Die gute Nachricht: Ein 1-mm-Stahl-Gehäuse schützt den Anwender bereits vor der emittierten Strahlung.
UKP-Laser für die Energie der Zukunft
Einen wirklich großen Anwendungsbereich für UKP-Laser bieten die Batterie- und Wasserstofftechnologien. Dr. Karsten Lange vom Fraunhofer ILT zeigte in seinem Vortrag sowohl das Umfeld als auch konkrete Beispiele dafür. In der Wasserstofftechnologie gibt es mehrere Ansatzpunkte. Am eindrucksvollsten ist sicherlich die Vergrößerung der effektiven Elektrodenoberfläche durch Laserstrukturierung um einen Faktor 1600, den der Wissenschaftler erreichen konnte.
In der Batterietechnik geht es heute um die Steigerung sowohl der Energiedichte als auch der Leistungsdichte. Auf beiden Feldern werden Laserprozesse entwickelt. Bei hohen Leistungsdichten (also bei schnellen Lade- oder Entladeprozessen) ist die Lithiumabscheidung derzeit ein Problem. Mit dem UKP-Laser kann man Mikroporen in die Elektroden der Batterien einbringen und so das Problem reduzieren. Am Fraunhofer ILT soll die Technologie in einem speziellen Batterielabor ab Sommer 2021 untersucht werden. Entscheidend bei der breiten Einführung der UKP-Laser in die Herstellung von Batterien und Brennstoffzellen wird die Leistungsskalierung der Strahlquellen sein. Für eine überlegene Produktivität werden hier UKP-Laser mit 5 bis 10 kW benötigt.
Quelle und Foto: Fraunhofer ILT
