14 Nov Innovative Lasertechnologien für die E-Mobilität
Eine der entscheidenden Fragen der Verkehrswende lautet: Wie lassen sich E-Fahrzeuge nachhaltig und zugleich ökonomisch herstellen? Für Antworten auf diese Frage entwickelt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT gemeinsam mit Industriepartnern Lösungen rund um die Lasertechnik.
Als „Herzstück des Elektroautos und Schlüssel für die Zukunft der Mobilität“ bezeichnete Herbert Diess, der ehemalige Vorstandsvorsitzende des Volkswagenkonzerns, die Batterie. Das schlägt sich auch im Preis nieder: Bis zu 40 % beträgt laut Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) der Anteil des Akkus an der Wertschöpfung eines E-Fahrzeugs. Allein in Europa sind nach Angaben des Fraunhofer ILT aktuell 40 Battery Gigafactories im Bau oder in Planung.
Jetzt soll es darauf ankommen, die bereits signifikant gesunkenen Batteriekosten von knapp unter 100 US-Dollar pro Kilowattstunde noch weiter zu reduzieren. Zwei wichtige Aufgaben nannte Professor Arnold Gillner, Abteilungsleiter Business Development am Fraunhofer ILT, im Januar 2023 auf dem Lasersymposium Elektromobilität LSE’23: „Wichtig ist neben dem Senken des Energieverbrauchs bei der Fertigung von Batterien langfristig die Erhöhung ihrer Energiedichte durch neue Materialien.“
Prof. Arnold Gillner, Abteilungsleiter Business Development am Fraunhofer ILT, betont, dass die Energiedichte von Batterien durch neue Materialien erhöht werden muss. Bild: Fraunhofer ILT
Laserbasierte Batteriefertigung
Im hauseigenen Battery Lab stehen auf knapp 140 Quadratmetern modernste Technologie sowie verschiedene Anlagen zur laserbasierten Batteriefertigung zur Verfügung, um neue Materialien und Verfahren zu erforschen, berichten die Fraunhofer-Forschenden. Es gibt elektrische und mechanische Teststände, die eine direkte Bewertung der Laserprozesse zulassen sowohl von heute üblichen Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten als auch zukünftigen Festkörper-Akkumulatoren, so die Forschenden weiter. Das Battery Lab verfügt über ein mit Argon betriebenes GloveBox-System, in das die vakuumbasierte PVD-Beschichtungstechnologie sowie ein Hochtemperaturofen integriert sind. So sollen sich luftempfindliche Festkörperzellmaterialien beschichten und anschließend zu Testzellen verbauen lassen.
Energieverbrauch halbiert dank Diodenlaser
Wie sich der Energieverbrauch bei der Trocknung der Grafit-Elektroden von Lithium-Ionen-Akkus senken lässt, demonstrierte ein Fraunhofer-Team auf der Hannover Messe 2023. Bisher trocknen laut den Forschenden mit Gas betriebene Durchlauföfen beim Rolle-zu-Rolle-Verfahren die mit Grafitpaste beschichteten Kupferfolien bei einer Temperatur von 160 bis 180 °C. Am Fraunhofer ILT werden diese energieintensiven Verfahren durch eine Anlage mit Diodenlaser ersetzt, der die Elektrode mit einer Spezialoptik großflächig erwärmt. Samuel Fink, Gruppenleiter für Dünnschichtverfahren am Fraunhofer ILT: „Die Trocknung mit dem Diodenlaser senkt den Energiebedarf um bis zu 50 % und den Platzbedarf für eine Trocknungsanlage im Industriemaßstab um mindestens 60 %.“
Trocknung mit Diodenlaser: Dank besonderer Optik erhitzt der Laser eine größere Fläche auf der mit Grafitpaste beschichteten Kupferfolie. Bild: Fraunhofer ILT
Multistrahl aus dem High-Power-Laser
Die Forschenden haben nach eigener Aussage außerdem die Energiedichte im Visier: In Hannover stellte das Institut einen High-Power-Ultrakurzpulslaser vor, der den infraroten, gepulsten Laserstrahl in 24 Teilstrahlen aufteilt, um die Batterieelektroden zu strukturieren. Entwickelt und umgesetzt wurde die Multistrahl-Optik in enger Zusammenarbeit mit Pulsar Photonics, einem 2013 gegründeten Spin-off des Fraunhofer ILT. Neu ist das Verfahren laut den Forschenden nicht, aber dem Team soll es gelungen sein, das Verfahren vom Labormaßstab auf einen skalierbaren, industriereifen Prozess zu transferieren.
Blau, grün oder rot: Auf den Anwendungsfall kommt es an
Das lappländische Start-up Aurora Powertrains hat für sein elektrisches Schneemobil eSled eine wasser- und staubdichte Batterie mit IP67-Klassifizierung entwickelt, die eine hohe Energiedichte von mehr als 190 Wh/kg besitzt. Die am Fraunhofer ILT entwickelte, maßgeschneiderte Lasertechnik verbindet hierfür den Aluminiumzellableiter mit dem Kupferableiter. „Weil das Aluminium in der Produktion oben liegt, ist der Vorteil der Absorption bei grüner oder blauer Laserwellenlänge nicht so gravierend wie bei Kupfer“, erläutert Dr. Alexander Olowinsky, Abteilungsleiter Fügen und Trennen am Fraunhofer ILT. „Der Single-Mode-Infrarotlaser mit kleinem Strahldurchmesser ist die elegantere, schnellere und deutlich kostengünstigere Lösung, weil die Strahlqualität bei Grün oder Blau systembedingt aktuell noch schlechter ausfällt.“
Das finnische Start-up Aurora Powertrains hat für sein elektrisches Schneemobil ein völlig neu konstruiertes Batteriekonzept entwickelt, für das sich wegen der hohen Energiedichte und IP67-Klassifizierung Unternehmen aus den unterschiedlichen Branchen interessieren. Bild: Aurora Powertrains
Röntgenvideos vom Schweißprozess
Um das Grundlagen-Know-how zu vertiefen, untersuchten die Fraunhofer-Forschenden zusammen mit Kollegen des Lehrstuhls für Lasertechnik der RWTH Aachen und dem Unternehmen Trumpf am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg, mit welcher Wellenlänge sich elektrische Kupferkontakte von Hochleistungselektronik für E-Fahrzeuge prozesssicher, stabil und schnell laserschweißen lassen. Die Antworten lieferte die hochbrillante Strahlung des Synchrotronrings PETRA III am DESY, mit dem sich bis zu 20.000 Bilder pro Sekunde aufnehmen lassen. Unterstützt von den Fachleuten des Helmholtz-Zentrum Hereon blickte das Team mit einem Röntgenstrahl durch das geschmolzene Kupfer im Laserstrahl.
Die Versuche bewiesen nach Aussage der Forschenden nicht nur, dass sich das Buntmetall am besten mit grünem Laserlicht schweißen lässt. Die scharfen Röntgenvideos der Laserprozesse zeigten erstmals auch, wie sich kleinste Veränderungen bei den Laserparametern auf Einschweißtiefe, Porenbildung und Spritzerbildung auswirken.
LSE – Laser Symposium Elektromobility
Mehr über die Forschung und Entwicklung des Fraunhofer ILT rund um die Elektromobilität erfahren Interessenten auf dem LSE – Laser Symposium Elektromobility 2024 am 23. und 24. Januar 2024.
Quelle: www.ilt.fraunhofer.de
Bild: Trumpf
