Prozessskalierung laserstrukturierter Dickschichtelektroden in Hochleistungs-Li-Ionen-Batterien

• Antragsteller: Professor Dr. Wilhelm Pfleging
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 519141407

Die deutliche Verbesserung der Schnellladefähigkeit sowie die Steigerung von Energie- und Leistungsdichte in Li-Ionen-Batterien (LIB) ist eine der zentralen Herausforderungen in der heutigen Batterieentwicklung. Neben neuen Materialkombinationen werden dabei auch Fragen zur Verbesserung der Lithium-Diffusions-Kinetik sowie der zyklischen Belastbarkeit und dem dabei generierten mechanischen Stress behandelt. Durch eine geeignete Ultrakurzpuls (UKP)-Laserstrukturierung der Elektroden lassen sich beide Fragestellungen adressieren und damit signifikante Performancesteigerungen im Hinblick auf Hochstromfähigkeit und Lebensdauer erzielen. Durch die UKP-Strukturierung der Elektroden lässt sich die Tortuosität der Ionen-Diffusionswege signifikant reduzieren, was vor allem bei hohen elektrischen Strömen zu einer Steigerung der Leistungsfähigkeit und der Lebensdauer führt. Insbesondere gilt dies für graphitbasierte Elektroden, die aufgrund der Partikel- bzw. Basalebenen-Ausrichtung in der Elektrode eine ausgeprägte Richtungsabhängigkeit der Li-Diffusion aufweisen. Die Kombination von „Vergrößerung der Aktivoberfläche“, „Reduzierung der Druckspannung“ und „Anpassung des Material-Designs“ soll im Hinblick auf das jeweilige Anwendungsszenario die Realisierung einer an die Schichtdicke und Schichtzusammensetzung optimierten Elektrodenarchitektur ermöglichen. Die prinzipielle Umsetzbarkeit der UKP-Laserstrukturierung im Rolle-zu-Rolle (R2R) Verfahren wurde am KIT bereits erfolgreich demonstriert und in Pouchzellen nachgewiesen (TRL 5). Um jedoch TRL 7 zu erzielen und damit eine echte Implementation der Elektrodenstrukturierung in die Batteriefertigung mit hohen Bandgeschwindigkeiten (> 30m/min) darstellen zu können, werden enorme Anforderungen an die weitere Entwicklung der Systemtechnik gestellt. Die Skalierung soll in Zusammenarbeit mit dem Partner Fraunhofer ILT untersucht werden, der Technologien und Systeme zur Produktivitätserhöhung von Ultrakurzpulslasern unter Verwendung von Multistrahlansätzen und ultraschnellen Scannern entwickelt hat. Dadurch lassen sich Leistungsklassen bis über 1 kW adressieren, sodass sich wirtschaftliche und konkurrenzfähige Fertigungstechnologien erreichen lassen. Basis dieser Weiterentwicklungen ist ein am FhGILT entwickeltes und bereits industriell erprobtes Multistrahl-Scanner-System mit 256 Teilstrahlen. Diese Strahlparallelisierung ermöglicht die gleichzeitige Bearbeitung der Elektroden an 256 periodisch angeordneten Teilstrahlen, was zu einer 200-fachen Erhöhung der Bearbeitungsgeschwindigkeit im Vergleich zu einer Bearbeitung mittels Einzelstrahl führt. Für die Skalierung der Elektrodenstrukturierung auf einer Bahnbreite bis zu 30 cm mit einem Strukturabstand im Bereich von ca. 200 Mikrometer wird ein industrietaugliches System aufgebaut und anhand etablierter Batteriematerialien (NMC622 vs Graphit) mit Flächenkapazitäten bis zu 4mAh/cm2 evaluiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: EAS Batteries GmbH; MOEWE Optical Solutions GmbH; Pulsar Photonics GmbH
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Arnold Gillner