08 Apr. Mit Laserfertigung zur industriellen Festkörperzelle
Zellaufbau im Vergleich: oben eine konventionelle Lithium-Ionen-Zelle mit flüssigem Elektrolyt und Separator zwischen Kathoden- und Anodenmaterial; unten eine Festkörperzelle mit festem Elektrolyt und Lithium-Metall-Anode. Bild: Fraunhofer ILT
Lasergestützte Verfahren adressieren zentrale Schritte bei der industriellen Fertigung von Festkörperbatterien. Sie ermöglichen das lokale Verdichten keramischer Elektrolyte, die gezielte Modifikation von Grenzflächen und das kontaktlose Trennen von Lithium-Metallfolien. Damit tragen sie zu stabileren Prozessen bei und reduzieren Ausschuss in frühen Produktionsphasen.
Festkörperbatterien ersetzen flüssige Elektrolyte durch feste Materialien und ermöglichen so den Einsatz von Lithium-Metall-Anoden. Daraus resultieren höhere Energiedichten sowie verbesserte Sicherheit, da Leckagen und thermisch bedingte Reaktionen reduziert werden. Allerdings ergeben sich neue fertigungstechnische Herausforderungen: Die Materialien reagieren empfindlich auf ihre Umgebung und erfordern angepasste Prozessstrategien sowie den Betrieb in Trocken- oder Inertgasumgebungen.
Prozessgrenzen der Materialien
Lithium reagiert sensibel auf Sauerstoff und Feuchtigkeit und lässt sich mechanisch nur eingeschränkt bearbeiten. Bereits geringe Kontaminationen führen zu Passivschichten oder unerwünschten Reaktionen an der Oberfläche. Keramische Elektrolyte wie Lithium-Lanthan-Zirkonat (LLZO) benötigen zudem hohe Sintertemperaturen, bei denen Lithiumverluste und Nebenphasen auftreten können. Diese verändern die Ionenleitfähigkeit und wirken sich direkt auf die Zellperformance aus. Hinzu kommen Grenzflächenwiderstände zwischen Elektrolyt und Anode, die den Ladungstransport begrenzen und lokale Inhomogenitäten begünstigen.
REM-Aufnahme einer mittels Ultrakurzpulslaser erzeugten Mikrostruktur auf der Oberfläche eines Festelektrolyten. Fraunhofer ILT
Am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT untersuchen Forschende Laserprozesse für Verdichtung, Strukturierung und Trennen als Ansatz, diese Effekte gezielt zu beeinflussen. Beim Lasersintern verdichten sie LLZO lokal und zeitlich kontrolliert. Die schnelle, räumlich begrenzte Energieeinbringung reduziert Lithiumverluste und vermeidet ausgeprägte thermische Spannungen im Materialverbund.
Ultrakurzpulslaser strukturieren keramische Oberflächen im Mikrometermaßstab. Die erzeugten Mikrostrukturen vergrößern die effektive Kontaktfläche zwischen Elektrolyt und Lithium und können die Stromverteilung homogenisieren. Versuche zeigen, dass die Wechselwirkungen komplex bleiben: Je nach Strukturgeometrie und Materialzustand kann sich auch der Gesamtwiderstand verändern. Analytische Verfahren, unter anderem Raman-Spektroskopie, erfassen die strukturellen Veränderungen im Kristallgitter und unterstützen die Einordnung der Effekte.
Beim Trennen von Lithium-Metallfolien ersetzen Laser mechanische Verfahren, die bei dem weichen und adhäsiven Material zu Verschmierungen und Werkzeugbelastung führen. Laser arbeiten kontaktlos, erlauben konturflexible Schnitte und lassen sich in kontrollierte Prozessumgebungen integrieren. Dabei spielt die Atmosphäre eine wichtige Rolle: Argon verhindert Oxidation und stabilisiert die Schnittkanten, während alternative Gase zu reaktiven Nebenprodukten führen können, die die elektrochemischen Eigenschaften beeinflussen.
Ultrakurzpulslaser erzeugen Schnittkanten mit sehr kleiner Wärmeeinflusszone und reduzieren thermisch bedingte Gefügeveränderungen. Das verbessert die Kantenqualität und senkt das Risiko nachfolgender Defekte im Zellverbund. Parallel prüfen Forschende Nanosekundenlaser, die bei geeigneter Prozessführung eine ausreichende Bearbeitungsqualität erreichen, als kostengünstigere Alternative. Für die Integration in industrielle Linien entwickeln sie kompakte, inertisierte Mini-Environments. Diese lokal begrenzten Prozessräume erlauben eine gezielte Inertgasführung und reduzieren den Aufwand gegenüber großvolumigen Trockenräumen; sie verbessern die Prozessstabilität und erleichtern die Skalierung.
REM-Bild der Schnittflanke einer lasergeschnittenen Lithium-Metall-Anode. Bild: Fraunhofer ILT
Übertrag in die Produktion
Erfahrungen aus der Lithium-Ionen-Fertigung lassen sich in Teilen übertragen, etwa beim Schneiden von Elektrodenfolien, beim Trocknen von Beschichtungen und bei der Strukturierung von Stromableitern. In der Festkörperbatterie verschärfen sich jedoch die Anforderungen: Schon geringe Verunreinigungen, Partikel oder chemische Veränderungen können die Funktion der Zellen beeinträchtigen und zu Ausfällen führen.
Forschende am Fraunhofer ILT entwickeln laserbasierte Prozesse für die Fertigung von Festkörperbatterien (von links): Tim Rörig, Florian Ribbeck und Stoyan Stoyanov. Bild: Fraunhofer ILT
Parallel integrieren Forschende dünne Sensoren direkt in Bauteile. Diese erfassen Temperaturen, mechanische Spannungen und chemische Zustände während der Produktion und im Betrieb. Die kontinuierliche Datenerfassung schafft eine belastbare Grundlage für die Bewertung des Prozesszustands.
KI-gestützte Verfahren analysieren die Daten in Echtzeit und ermöglichen es, Prozessparameter gezielt anzupassen, etwa bei Temperaturprofilen oder laserbasierten Bearbeitungsschritten. So lassen sich Abweichungen früh erkennen und korrigieren. Laserbearbeitung und sensorbasierte Prozessüberwachung greifen damit ineinander. Zusammen schaffen sie die Voraussetzung für stabile, reproduzierbare Abläufe und erleichtern den Übergang von Labordemonstratoren in eine skalierbare industrielle Fertigung.
Quelle und Bild: www.ilt.fraunhofer.de