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Lasertrocknen an Batterieelek­troden mit industrieller Performance

Das Forschungsprojekt IDEEL hat das Ziel, ein Lasertrocknungsverfahren zur klimafreundlicheren und wirtschaftlicheren Serienproduktion von Lithium-Ionen-Batterien hervorzubringen. Seine Ergebnisse sollen in die ‚Fraunhofer-Forschungsfertigung Batteriezelle‘ in Münster einfließen.

Lasertrocknen ist ein energieeffizientes Verfahren bei der Elektrodenherstellung für High-Power-Batteriezellen. Es steht im Mittelpunkt des Forschungsprojekts IDEEL (Implementation of Laser Drying Processes for Economical & Ecological Lithium Ion Battery Production). Sein Ziel ist der Aufbau eines Demonstrators für die serienfertigungsnahe Trocknung der Elektrodenbeschichtung in Hochleistungsbatterien. Die geplante Anlage soll weniger Produktionsfläche beanspruchen sowie schneller und energieeffizienter agieren als herkömmliche Trocknungstechnologien. Projektpartner sind die Unternehmen Laserline, Coatema Coating Machinery und Optris sowie das Fraunhofer ILT, die Forschungsfertigung Batteriezelle (FFB) am Fraunhofer IPT, das Münster-Electrochemical-Energy-Technology- (MEET-) Batterieforschungszentrum der WWU Münster und die Einrichtung Production Engineering of E-Mobility Components (PEM) der RWTH Aachen.

Energieeffizientes Verfahren hochskalieren

Der Trocknungsprozess ist Teil der Elektrodenherstellung für High-Power-Batteriezellen, wie sie beispielsweise in Elektrofahrzeugen oder Heimspeichern zum Einsatz kommen. Er dient dem Trocknen einer Paste, die auf die Kupferfolie der Batterieelektrode aufgetragen wird. Die bisher eingesetzten Konvektionstrockner belasten die CO2-Bilanz und die Energiekosten der Batterieproduktion stark. Daher setzen die Projektpartner auf die Hochskalierung eines energieeffizienteren Trocknungsverfahrens, bei dem die Beschichtung mithilfe von Hochleistungsdiodenlasern bestrahlt wird. Das Verfahren profitiert von der guten Absorption des infraroten Laserlichts im Beschichtungsmaterial, ermöglicht im Vergleich zur gängigen Konvektionstechnologie eine flexiblere und präzisere Prozessregelung und zielt im Projekt auf die Demonstration von Bahngeschwindigkeiten von bis zu 30 m/min ab. Neben einer schnelleren und energieeffizienteren Prozessführung soll es die Trocknungsstrecken signifikant verkürzen und so den Platzbedarf wesentlich reduzieren.

Demonstrator und Prozessmodell

Innerhalb des IDEEL-Vorhabens verfolgen die Projektpartner mehrere Teilziele. Im ersten Schritt werden eine optimierte Elektrodenpaste, ein hocheffizientes Lasersystem mit großflächigem, homogenem Spot sowie eine hochintegrative Prozessüberwachung mit kontaktloser Temperaturmessung entwickelt. Darauf aufbauend, soll der laserbasierte Trocknungsprozess innerhalb eines Demonstrators auf industrietypische Vorschubgeschwindigkeiten hochskaliert und abschließend das physikalische Modell des Prozesses validiert werden.

Die Ergebnisse sollen künftig in die Prozesse der FFB einfließen, die als eines der Leuchtturmprojekte der deutschen Batterieforschung gilt und zum Entwicklungszentrum einer modernen Batteriezellproduktion für Deutschland und seine europäischen Partner ausgebaut werden soll. Am Standort Münster entsteht deshalb eine komplette Fertigungsinfrastruktur, mit deren Hilfe Unternehmen und Forschungseinrichtungen die Serienproduktion neuer Batterien erproben und optimieren können.

Laserline konzentriert sich auf die Entwicklung einer homogenen und effizienten Lasersystemtechnik für die großflächige Trocknung in der Elektrodenfertigung. Ausgangspunkt sind die Hochleistungsdiodenlaser der LDF-Serie; das Unternehmen arbeitet an dessen Effizienzsteigerung sowie an einer Prozessoptik, die eine integrative Prozessüberwachung ermöglichen soll.

Quelle: www.laserline.com/de-int/

Bild: Studio Wiegel + Fraunhofer