Arges GmbH

Niederlassung Wackersdorf
Novanta Europe GmbH

Novanta Europe GmbH

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Bundesministerium für Bildung und Forschung

Referat 523: Werkstoffinnovationen, Batterie; Hereon, KIT

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Referat T15: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für­ Forschung, Technologie und Raumfahrt Referat T15: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für­ Forschung, Technologie und Raumfahrt

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Im Rahmen des Projektes haben sich die Verbundpartner ehrgeizige Ziele für die Entwicklung der nächsten Generation von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) gesetzt. Begleitet von einem Anwender-Industriebeirat werden die Grundlagen für das Design und die Herstellung eines neuen Zellkon-zeptes entwickelt. Dies erschließt leistungsfähige, kostengünstige sowie langlebige Energiespeicher für zukünftige Elektroautomobile sowie stationäre Energiespeicher. Das herkömmliche Zelldesign wird dabei durch die Kombination von drei Konzepten erweitert, die einen Quantensprung im Hinblick auf Kostenreduktion, Batterieperformance und Zellsicherheit ermöglichen werden. Diese drei Konzepte umfassen die Einführung laserstrukturierter Elektroden (3D Batterie-Konzept), den Einsatz fortschrittlicher Hochenergiematerialien (Materialkonzept) und das Einführen hoher Flächenenergiedichten auf Elektroden-Level (Dickschicht-Konzept). Die gleichzeitige Erhöhung der Batterielebensdauer, der Realisierung kurzer Ladezeiten und von hohen Energiedichten durch den kombinierten Ansatz von innovativem Zelldesign (Schichtdicke, Materialien) und 3D Strukturierung sind die zentralen Entwicklungsziele des Vorhabens. Flankiert werden diese Konzepte mit einer auf Sicherheit getrimmten Separator-Entwicklung und einer auf Lebensdauererhöhung abgestimmten Stromableiterstrukturierung. Beides ist unabdingbar mit dem 3D Elektrodenkonzept für Hochenergiematerialien verbunden, um den gestiegenen Anforderungen bei hohen Batterieleistungen Rechnung zu tragen, was sich u.a. durch Verbesserungen in der Temperatur- und Elektroden-Stabilität bemerkbar machen wird.

Im Fokus des Vorhabens steht die 3D Elektrodenentwicklung, da dieses Konzept den maßgeblichen Einfluss auf die Wertschöpfungskette haben wird und zudem hierfür die Entwicklung gänzlich neuer prozesstechnischer Ansätze im Bereich der Lasermaterialbearbeitung erforderlich sind. Das bisher im Labormaßstab demonstrierte 3D Batteriekonzept soll auf großformatige Zellen mit hohem Energieinhalt übertragen werden. Eine Weiterentwicklung der Ultrakurzpuls-Laserstrahlquellen mit hoher Leistung sowie spezialisierter Strahlführungssysteme mit gezielter Formung der Laserenergieverteilung in Multispot-Anordnungen sind hierfür erforderlich. Eine enge Verzahnung der Prozessentwicklung und Systemkomponentenentwicklung für die Laserprozessierungsmethoden, der Laserinterferenzstrukturierung (DLIP) und der direkten Ultrakurzpulslaserstrukturierung, sind notwendig, um die hohen Anforderungen an Prozessgeschwindigkeit und –sicherheit zu erfüllen.
Für Demonstratorzellen mit 20 Ah Kapazität wird die Hochgeschwindigkeitsprozessierung von Elektroden (nickelreiche NMC Kathoden, Si/C Anoden), Separatoren und Stromableitern mit gesteigertem Material-Durchsatz in Rolle-zu-Rolle Verfahren demonstriert. Damit sollen erstmals Kenndaten der neuen Hochenergie- und Hochleistungs-Batterietypen sowie Prozessdaten zu deren wirtschaftlichen Herstellung ermittelt werden.

3D Batteriekonzepte sollen im Allgemeinen eine Verbesserung der Lithiummobilität und damit der Leistungsfähigkeit der Batterien bewirken. Ein weiterer Effekt, der sich maßgeblich auf die Reduzierung der Kosten sowie Ausfallraten im Verlauf der Zellfertigung auswirkt, ist die durch Laser-prozesse gesteuerte Umwandlung der Elektroden und Separatoren in für flüssige Elektrolyte hochbenetzbare Komponenten. Daher ist das in Elektroden durch Laserstrahlung erzeugte Strukturdesign zu optimieren und prozesstechnisch auf den Hochratedurchsatzprozess zu übertragen.

Neben der Steigerung der Batterieperformance (Lebensdauer, Kapazitätsrückhalt) für Pouch-Zellen, die einen Betrieb bei hohen Energiedichten und gleichzeitig hohen Leistungen ermöglichen soll, wird eine Verkürzung der Elektrolyt-Befüllzeit und -Benetzungsdauer ermöglicht, die eine signifikante Reduzierung der gesamten Produktionszeit erlaubt. Bei den meisten Elektrolytsystemen ist der Befüllprozess von Zellen der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. Daher hat eine Reduktion der Befüllzeit einen direkten Einfluss auf die Fertigungskosten. Durch die gezielte Verbesserung der Elektrolytbenetzbarkeit von Elektroden und Separatoren könnten die Auslagerungszeiten und Formierzeiten frisch befüllter Li-Ionen Zellen maßgeblich reduziert werden. Bei minimalen Auslagerungszeiten, die entweder komplett vermieden oder nur im Stundenbereich liegen, ergeben sich daher enorme Kostenvorteile. Zusätzliche Kostenreduzierungen können bei reduzierten Ausschussraten und erhöhter Lebensdauer entsprechend befüllter Zellen erreicht werden.
Die im Hinblick auf die Aufskalierung des 3D Elektrodenkonzepts auf große Elektrodenflächen mit Aktivmaterialien hoher Energiedichte und dicker Kathodenschichten neu zu entwickelnden Prozesstechnik-Komponenten wie z.B. Laserstrahlquellen, Optiken und Scanner werden in das Portfolio der beteiligten Firmen aufgenommen und somit für Batteriehersteller und Materialentwickler verfügbar gemacht. Hierbei stellt der Anwender-Industriebeirat sicher, dass ein direkter Marktzugang zum Zellherstellermarkt und zum Markt für automobile Anwendungen gegeben ist. Für die Zellherstellung werden Anlagenkonzepte angeboten die kompatibel sein werden für eine weitere Aufskalierung für Zellen mit Kapazitäten deutlich oberhalb von 20 Ah.

Die erfolgreiche Durchführung des Projektes wird ein weiterer wichtiger Schritt sein in Richtung einer preiswerten, ökologischen und verfügbaren Elektromobilität am Standort Deutschland. Vorhandene bzw. neue Batteriefertigungslinien könnten durch die verbesserten Methoden und neue Erkenntnisse zur Zellchemie mit bereits bekannter Produktionstechnologie unter Hinzunahme der neuen Schritte sehr einfach modifiziert bzw. realisiert werden.

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Elektrodenarchitekturen für Hochenergie- und Hochleistungsbatterien der nächsten Generation

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EdgeWave GmbH

Ziel dieses Teilprojektes ist der Aufbau prozessspezifischer ps- und fs-Laserstrahlquellen sowie zu den jeweiligen Laserstrahlquellen die Entwicklung angepasster Techniken zur räumlichen und zeitlichen Strahlformung. Die Laserdemonstratoren werden den Projektpartnern KIT und IWS für das Strukturieren von Stromableitern mittels Laserinterferenzstrukturierung (DLIP) und für das Strukturierung von Elektroden und Separatoren mittels direkter Ultrakurzpulslaserablation (UKP-Laserablation) zur Verfügung gestellt. Im Verlauf des Projektes werden unter Berücksichtigung der Ergebnisse der Projektpartner die Parameter der Laserstrahlquellen inklusive der Strahlformungsoptiken angepasst und prozessspezifisch optimiert. Dabei sollen die Prozessgeschwindigkeit und die jeweilige Prozessqualität maßgeblich verbessert werden. Für das DLIP-Verfahren am IWS sollen neuartige frei triggerbare ps-Laserstrahlquellen zum Einsatz kommen mit Pulsenergien im mJ-Bereich. Hierzu ist die Realisierung von hohen Kohärenzlängen (>3mm) erforderlich unter Beibehaltung einer hohen Strahlqualität und definierten Randbedingungen für die Laserstrahlquelle im Hinblick auf die Strahlverteilung (zirkular Gaussian oder Top-hat). Für die Hochdurchsatz-UKP-Laserablation am KIT zur 3D Elektroden-Strukturierung soll basierend auf den wissenschaftlichen Vorarbeiten am KIT eine Prozessaufskalierung in einer Rolle-zu-Rolle-Bearbeitung mit einem Hochleistungs-Laser mit Pulslängen im Bereich von 600 fs erfolgen. Neben der freien Triggerbarkeit ist eine hohe Laserleistung (>500W) vorgehsehen, um eine erhöhte Prozesseffizienz in einer Multispot-Bearbeitung mit definierten Strahlprofilen (zirkular Gaussian, elliptisch Gaussian, oder Multispots) zugänglich zu machen.

Die Firma EdgeWave wird im Rahmen des Teilprojektes die notwendigen Konzepte zur Strahlformung für Ultrakurzpulslaser untersuchen und entwickeln und dabei ein fs-Funktionsmuster und ein ps-Funktionsmuster erstellen. Die beiden Funktionsmuster werden den Projektpartner zwecks Prozessentwicklung zur Verfügung gestellt.
Hierzu sind die folgenden Arbeitsschwerpunkte vorgesehen:

•	Aufbau, Charakterisierung und Optimierung einer fs-Laserstrahlquelle mit einer mittleren Leistung höher als 500 W und mit einer Pulswiederholrate größer als 2 MHz

•	Entwicklung und Charakterisierung eines optischen Aufbaus zur Aufteilung des fs-Laserstrahls (Multifoki-Anordnung) für die Parallel-Strukturierung (Hochdurchsatz)

•	Erstellung eines ps-Funktionsmusters inkl. des Lasers und Top-hat-Strahlformers für DLIP-Prozesse

•	Auswertung der am KIT (fs-Laser) und IWS (ps-Laser) erzielten Anwendungsergebnisse und Ableitung von Optimierungsmaßnahmen für die Laserparameter und Anpassung der jeweiligen Laserstrahlformung

UKP-Laserstrahlquellen werden zunehmend in der industriellen Produktion verwendet. Die meisten Anwendungen konzentrieren sich zurzeit auf die Mikrobearbeitung. Es gibt enormes Potential in der Bearbeitung von Makroteilen mit Mikropräzision. Ein Beispiel dafür ist die Strukturierung von Batterie-Elektroden. Aufgrund der eng verzahnten Zusammenarbeit des Laserherstellers EdgeWave mit Projektpartnern aus Instituten mit umfangreicher Expertise in den Bereichen Materialwissenschaft, Batteriedesign und Laserbearbeitungsverfahren, und mit Herstellern von Optiken und Subsystemen zum Strahlhandling, kann erwartet werden, dass im Rahmen dieses Verbundprojektes wichtige und nützliche Erkenntnisse zur hoch produktiven Laserbearbeitung von Batteriekomponenten gewonnen werden. Diese Kenntnisse sind ein wichtiger Baustein zur Erschließung der Mikrobearbeitung von Makroteilen.
Mit einem erfolgreichen Abschluss des Projektes stehen erstmalig industrietaugliche UKP-Lasersysteme mit geeigneter Strahlformung für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Batteriekomponenten zur Verfügung. Die Einsatzmöglichkeiten solcher Strahlquellen sind vielseitig, insbesondere im Bereich der großflächigen Strukturierung mit hoher Geschwindigkeit und mit anwendungsspezifischer Qualität. Mit Hilfe der erwarteten Projektergebnisse erweitert die Firma EdgeWave ihre Kompetenz und ihr Know-how im Bereich der Mikrobearbeitung von Makroteilen.

In diesem vorliegenden Projekt werden die Grundlagen von UKP-Lasern mit Strahlformung erarbeitet. Dies entspricht der Produkt-Roadmap von EdgeWave und ist für die wirtschaftliche Entwicklung von EdgeWave von großer Bedeutung. Auf Basis der neuen Erkenntnisse plant EdgeWave eine Erweiterung des Produktportfolios von UKP-Laser um Strahlformungskomponenten. Mit der Einführung von UKP-Lasersystemen mit Strahlformung hoher Ausgangsleistung und hoher Pulsenergie können zum ersten Mal viele Anwendungen, wie das Präzisionsstrukturieren großer Flächen, wirtschaftlich realisiert werden.

Entwicklung von UKP-Lasersystemen zur Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Batterien nächster Generation

Herr Dr. Keming Du

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Arbeitseinheit NMT: Neue Materialien und Chemie

Projektträger Jülich Arbeitseinheit NMT: Neue Materialien und Chemie

Projektträger Jülich

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[verbundprojekt]

[Verbundprojekt]

Ziel des Gesamtvorhabens „Konzepte zum Aufbau von Elektrodenarchitekturen für Hochenergie- und Hochleistungsbatterien der nächsten Generation“ mit dem Akronym „Next-Gen-3DBat“ ist die Erforschung fortschrittlicher Konzepte für Hochenergie- und Hochleistungsbatteriesysteme.  Hierfür werden im Rahmen des Teilprojekts von der Fa. TOPAG neuartige, strahlformende optische Elemente für die Laserstrukturierung der Zellkomponenten Elektroden, Stromableiter und Separatoren erforscht, bereitgestellt und in das optische Gesamtkonzept integriert. Die strahlformenden Elemente können dabei Strahlformer, Strahlteiler oder Hybrid-Elemente sein. Strahlformer bewirken eine prozessangepasste Umverteilung der Intensität. Strahlteiler teilen den Eingangsstrahl in mehrere Teilstrahlen auf und ermöglichen eine Prozessbeschleunigung. Neben der gezielten Umverteilung der Laserenergie sollen insbesondere für die DLIP-Strukturierung von Stromableitern auch Elemente entwickelt werden, die eine möglichst homogene Phasenverteilung in den umgeformten Strahlprofilen ermöglichen.

Herkömmliche Strahlformer zur Generierung von homogenen Strahlprofilen (Top Hat-Strahlformer) formen lediglich die Intensität des Laserstrahls. Eine Homogenisierung der Phasenverteilung (Wellenfront) wird in der Materialbearbeitung selten betrachtet und im Design nicht berücksichtigt. Die Strukturierung der Stromableiter mittels DLIP erfordert aber neben einer homogenen Intensitätsverteilung eine möglichst ebene Wellenfront. Zudem soll das geformte Strahlprofil eine möglichst hohe Tiefenschärfe aufweisen. Durch einen Strahlformer, der das Strahlprofil im Sinne dieser drei Punkte prozessrelevant optimiert können Kontrast und Homogenität des erzeugten Interferenzbildes deutlich verbessert werden. Dies führt zu einem homogeneren flächigen Abtrag. Gegebenenfalls ist es nötig, dass dieses homogene Strahlprofil in einem bestimmten Abstand vor der Fokusebene generiert werden muss. 
Neben neuartigen Strahlformern (Top Hat) erforscht TOPAG angepasste diffraktive Strahlteiler für den DLIP-Prozess und stellt diese für die Erprobung zur Verfügung. Um mittels DLIP die gewünschten Strukturen zu generieren, ist eine bestimmte Anzahl und Anordnung der durch den Strahlteiler generierten Teilstrahlen nötig. Zum Einsparen von Bauraum sollen der Strahlformer und der Strahlteiler in einem optischen Element vereint werden. 

Im Gegensatz zum DLIP-Verfahren müssen bei der direkten Laser-Strukturierung der Elektroden und Separatoren deutlich kleinere angepasste Strahlprofile (z.B. Top Hat, Donut, M-shape) generiert werden. Neben einer optimierten Abtragsqualität soll der Strahlformer auch den Pulsüberlapp verringern und hierdurch die Prozessgeschwindigkeit erhöhen. Um möglichst schmale Kapillaren zu strukturieren kann es hier auch nötig sein, mit 1-dimensionalen Strahlformern zu arbeiten. 

Zusätzlich soll durch die Entwicklung und Bereitstellung angepasster Strahlteiler eine Parallelprozessierung ermöglicht werden. Die bei der direkten Laser-Strukturierung eingesetzten Laser sollen unter anderem Pulslängen im Femtosekunden-Bereich haben. Solche Laser weisen große spektrale Bandbreiten auf. Diese führen zu einer räumlichen Spotverbreiterung und zeitlichen Pulsverlängerung (Pulstilt). Je nach Bandbreite des Lasers und optischem Konzept müssen diese Effekte berücksichtigt und ggf. kompensiert werden.

Die im Rahmen des Projekts zu erforschenden strahlformenden optischen Elemente sollen eine effizientere und Ressourcen schonende Laserstrukturierung der neuartigen 3D-Elektroden, Stromableiter und Separatoren ermöglichen. Durch Prozess angepasste Strahlteiler trägt TOPAG zur Aufskalierung des neuen UKP-Laser-basierten Fertigungsprozesses bei. Die neuen Konzepte können schließlich auf kosteneffiziente Roll-zu-Rolle Prozesse übertragen werden.
Zudem baut TOPAG mit erfolgreicher Umsetzung der Projektziele seine wissenschaftliche Kompetenz im Bereich der phasenkorrigierten Strahlformung und der Eignung für höchste UKP-Leistungen aus. Damit können weitere Märkte in der Zukunft adressiert werden, wie zum Beispiel die großflächige Ablation mit Hochleistungslasern und Anwendungen in der Messtechnik oder Bildverarbeitung.  TOPAG plant die für die Anwendung mit UKP-Lasern hoher Leistungen und mit homogener Phase entwickelten Prozesse und Produkte möglichst zeitnah nach Projektende zur Marktreife weiterzuentwickeln.

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Topag Lasertechnik GmbH

Herr Dr. Lhoucine Ben Mohammadi

Die Aufgabe von Sill Optics ist es die nötigen Objektive für die Laserstrukturierung der Zellkomponenten Elektroden, Stromableiter und Separatoren zu entwickeln, zur fertigen und in das optische Gesamtkonzept zu integrieren.
Die Strukturierung soll sowohl über eine direkte Laserstrukturierung für Elektroden und Separatoren als auch über eine direkte Laser-Interferenzstrukturierung (DLIP) für Stromableiter erfolgen. Je nach Verfahren und Komponente können Ultrakurzpulslaser mit unterschiedlichen Pulslängen und Wellenlängen eingesetzt werden.

Jedes F-Theta Objektiv zeigt in Kombination mit einem XY Scanner eine tonnen- oder kissenförmige Verzeichnung. Bei Prozessen wie Beschriftung von Bauteilen oder Separieren von Bauteilen kann diese Verzeichnung durch die Ansteuerung des Scanners problemlos kompensiert werden.

Sowohl bei der Interferenzstrukturierung als auch bei Strukturierung mit mehreren Strahlen (Direktstrukturierung), kann nur die Feldverzeichnung aber nicht die Spotverzeichnung (Verdrehung und Deformation der Spots) über die Scanneransteuerung kompensiert werden. Hier soll ein Performancegewinn über die Optik erreicht werden.

Des Weiteren haben Gaußstrahlen einen nicht homogenen Intensitätsverlauf über den Bündeldurchmesser, was bei Bearbeitung dünner Schichten schnell zu einer Schädigung der tieferliegenden Struktur führen kann. Aus diesem Grunde kann man das Intensitätsprofil des Laserstrahls verändern. Es gibt hier unterschiedliche Konzepte (z.B. Asphären, diffraktive optische Elemente oder Interferenzbearbeitung) mit unterschiedlichen Anforderungen an die nachgeschaltete Optik.

Die Firma SILL wird im Rahmen des Teilprojektes die notwendigen Konzepte zur Geometriekorrektur untersuchen und Funktionsmuster entwickeln und fertigen. Die Funktionsmuster werden den Projektpartnern zwecks Prozessentwicklung zur Verfügung gestellt.
Für die Systemtechnik sind die folgenden Arbeitsschritte entscheidend: Im ersten Schritt  werden vielversprechende Aufskalierungskonzepte zur großflächigen Oberflächenstrukturierung mit den Projektpartnern erarbeitet. Dann die erforderliche Prozess- und Systemtechnik (Laser, Optiken, Scanner) angepasst und hergestellt. Und als Letztes in einer anwendungsnahen Umgebung umgesetzt und evaluiert. 

Sobald die Aufskalierungskonzepte stehen, können die Strahlführungskonzepte ausgearbeitet werden. Variablen sind die Wellenlänge, die Pulsdauer, Leistung, Anzahl der Strahlen und das Strahlprofil. Je nach Aufskalierungskonzept (DLIP oder Direktstrukturierung) werden zwei unterschiedliche Strahlführungskonzepte ausgearbeitet. Erster Schritt der Ausarbeitung ist die Simulation der entsprechenden Optiken und die Evaluierung durch die anderen Projektpartner. Im zweiten Schritt erfolgen die Konstruktion und die Anpassung an die Schnittstellen der anderen Systemkomponenten. Als nächstes folgen die Fertigung aller Linsen und Mechaniken und anschließend die Montage. Hier muss besonders auf Präzision und fachgerechte Justage geachtet werden, damit die nominelle Performance erreicht wird.

Die Strukturierung mittels Laser, soll vor allem für eine bessere Benetzbarkeit der Batteriekomponenten sorgen. Dies hat wiederum positiven Einfluss auf die Kapazität der Zellen, aber auch auf die Lebensdauer und die Befüllzeit (genaue Erläuterung siehe Projektbeschreibung des Gesamtprojektes).
Dennoch ist die Laserstrukturierung ein zusätzlicher Prozessschritt, der zunächst einmal Zeit und Geld kostet. Das Ziel ist es den Prozessschritt so schnell und sicher wie möglich in den Produktionsprozess zu integrieren. Technisch kann und werden die Vorteile im Projekt an kleinflächigen Demonstratorzellen erforscht und evaluiert. Hierfür sind einfache Strahlführungskonzepte ausreichend, die aber nur jeden Spot der Oberflächenstruktur einzeln und kleinflächig erzeugen können. Für einen effizienten großflächigen Prozess und kurze Fertigungszeiten sind Diese Konzepte zu langsam.

Das Ziel ist es möglichst viele Spots auf einmal auf einem möglichst großen Feld zu schreiben. Gleichzeitig wäre es wünschenswert in einem Rolle-zu-Rolle Prozess zu schreiben, also „on-the-fly“.

Die Anzahl der Spots werden dabei durch die Art der Interferenz (bei der Interferenzstrukturierung) oder Strahlaufteilung (bei der Direktstrukturierung) und der gewünschten Struktur bestimmt. Die Größe des Feldes wird beschränkt durch die weiteren Anforderungen an die Optik (z.B. Spotgrößen, Verzeichnungsfreiheit) und den Prozessablauf (Rolle-zu-Rolle oder Stitching der Felder).

Für die Ermittlung der optimalen Parameter ist eine enge Zusammenarbeit aller Projektpartner erforderlich. Vorhandene bzw. neue Batteriefertigungslinien könnten unter Hinzunahme der neuen Prozessschritte sehr einfach modifiziert bzw. realisiert werden. Die erfolgreiche Durchführung des Projektes wird ein weiterer wichtiger Schritt sein in Richtung einer preiswerten, ökologischen und verfügbaren Elektromobilität am Standort Deutschland.

Sill Optics GmbH & Co. KG

Herr  Manuel Zenz

Herr  Daniel Schwab

Das Ziel ist es, Energiedichten oberhalb von 250 Wh/kg auf Zell-Level zu erzielen. Neben der im Vergleich zum Stand der Technik mit NMC-111-Kathoden und Graphit-Anoden höheren spezifischen Energiedichte, die durch die Auswahl der nickelreichen NMC-Aktivmaterialien (NMC-622) und der Si-Dotierung in den Graphit-Anoden erreicht werden soll (Materialkonzept), ist weiterhin die Entwicklung und Umsetzung einer beidseitigen Beschichtung im Rolle-zu-Rolle-Verfahren erforderlich. Dafür soll die Ultrakurzpuls(UKP)-Laser-Prozesstechnologie am KIT für die Ablation mit hohen Aspektverhältnissen (5-10 oder höher) zur Erzielung hoher Aktivoberflächen eingesetzt werden. Zudem ist es erforderlich geringe Aktivmasseverluste (<4%) sowie eine hohe Effizienz des Abtragsprozesses darzustellen bei gleichzeitiger Vermeidung von Wiederablagerungen (Debris) des abgetragenen Materials auf der Elektrodenoberfläche. Ein weiteres Teilziel ist eine optimierte Strukturgeometrie im Hinblick auf das Benetzungsverhalten (Geschwindigkeit, Homogenität, Benetzungsausdehnung) zu entwickeln und auf große Elektrodenoberflächen (20 Ah-Zellen) umzusetzen.
Folgende Batterie-Kenndaten sollen erreicht werden:
•	Energiedichte > 250 Wh/kg
•	C-Raten > 5C beim Laden/Entladen

•	Zell-Lebensdauer von > 5000 Zyklen

Ein Arbeitsschwerpunkt beinhaltet die Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung von NMC-622-Kathoden und Si/Graphit-Anoden, um möglichst hohe Energiedichten auf Zell-Level zu realisieren. In Verbindung mit dem angestrebten Dickschichtkonzept müssen die Trocknungsbedingungen optimiert werden, um eine Bindersegregation zu unterbinden. Aufgrund des ökologischen Aspekts sollen hohe NMP (N-Methyl-2-pyrrolidon)-Lösemitteleinträge durch den wässrigen Ansatz für Anode und Kathode vermieden werden. Da das Kathodenmaterial mit Wasser reagiert, müssen für die Beschichtung Optimierungszyklen eingeplant werden. Für jede Beschichtungsseite sollen Beschichtungsdicken für NMC-Elektroden oberhalb von 150 µm liegen, mit dem Ziel, Dicken von 250 µm herzustellen. Die Si/Graphit-Anoden-Schichtdicke wird sich dabei bedingt über das Zell-Balancing und in Abhängigkeit von der Si-Dotierung (5-20 Gew.-%) einstellen.
Ein weiterer Arbeitsschwerpunkt ist die Übertragung des am KIT entwickelten 3D-Elektrodenkonzeptes auf die hergestellten Dickschichtelektroden. Hierzu sollen zunächst geeignete UKP-Laserparameter ermittelt werden. Der Strukturierungsprozess wird anschließend durch den Einsatz von Multi-Beam-Konzepten auf große Elektrodenflächen im Rahmen einer Aufskalierung im Rolle-zu-Rolle-Verfahren übertragen. Wesentliche Kenngröße zur Beurteilung der erzielten Strukturgeometrien ist, neben der elektrochemischen Performance der Labor- und Demo-Zellen, das Benetzungsverhalten mit flüssigem Elektrolyt. Der Einfluss der Laserstrukturierung, des Dickschicht- und Materialkonzeptes auf die elektrochemische Alterung bzw. Zell-Degradation wird in Rahmen von Post-Mortem-Analysen wissenschaftlich untersuchen. Neben Standardmethoden soll hier erstmals systematisch die lasergestützte Plasmaspektroskopie im Sinne eines quantitativen Element-Mappings für komplette Elektroden eingesetzt werden. Dadurch werden Korrelationen zwischen elektrochemischer Performance und Lithium-Konzentrationsprofilen ermöglicht und im Hinblick auf das 3D-Elektrodenkonzept bewertet.

Mit den Projektergebnissen sollen Lithium-Ionen-Zellen realisiert werden können, die sowohl eine hohe Energiedichte aufweisen als auch mit hohen C-Raten betrieben werden können. Hierzu wird das Materialkonzept für nickelreiche Kathoden und Si/Graphit-Anoden mit dem 3D Elektrodenkonzept kombiniert. Für Standardschichtdicken bis 100 µm werden die Erfolgsaussichten einer raschen Umsetzung als sehr gut eingeschätzt. Die zusätzliche Erweiterung der Technologie auf das Dickschichtkonzept und große Elektrodenflächen wird flankiert von der Entwicklung der wasserbasierten Beschichtung (ökologischer Aspekt). Neben einer verbesserten Batterieperformance sollen die Projektergebnisse zur Reduzierung der Zell-Produktionskosten angewendet werden, indem durch die verbesserte Elektrolytbenetzung die Auslagerungszeiten frisch befüllter Li-Ionen Zellen deutlich reduziert werden. Zusätzliche Kostenreduzierungen werden durch die zu erwartenden reduzierten Ausschussraten und die erhöhte Batterielebensdauer erreicht.
Das KIT trägt schließlich bei zur technischen Aufskalierung eines neuen Fertigungsprozesses (UKP-Laserstrukturierung) für Elektroden, indem Laserprozessdaten (Energiedichte, Strahlintensitäts-verteilung, Pulsfrequenz, Laser-Leistung, Laser-Scan-Geschwindigkeit) ermittelt und den Partnern zur Auslegung von Laserstrahlquelle und Strahlformungs- und Strahlführungs-Systemen (fs-Laser-Funktionsmuster) bereitgestellt werden. Anschließend soll eine Überführung der von den Partnern entwickelten fs-Laser-Funktionsmuster auf den Rolle-zu-Rolle Prozess am KIT erfolgen.

Mit den Projektergebnissen eröffnen sich neue Forschungsthemen, z.B. bzgl. der Kombination von elektrolytfördernden Strukturen in Elektroden- und Separatormaterialien zur Erforschung hochviskoser Elektrolyte oder ionischer Flüssigkeiten. Zudem können die Ergebnisse zur Entwicklung von Post-Lithium-Batterien und All-Solid-State Batterien beitragen, um Diffusionseigenschaften und damit auch die Zellperformance durch eine Vergrößerung der aktiven Oberfläche mittels Strukturierung zu verbessern.

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Großforschungsaufgaben, Campus Nord

Karlsruher Institut für Technologie Großforschungsaufgaben, Campus Nord

Karlsruher Institut für Technologie

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Angewandte Werkstoffphysik

Karlsruher Institut für Technologie Institut für Angewandte Materialien Angewandte Werkstoffphysik

Institut für Angewandte Materialien

Herr Dr. Wilhelm Pfleging

Das Teilvorhaben des IWS innerhalb des Gesamtvorhabens Next-Gen-3DBat fokussiert sich auf das Erforschen fortschrittlicher Laserstrukturierungsverfahren zur Optimierung von Inaktivmaterialien (Stromableiter, Separatoren) in Batteriezellen. Durch das Strukturieren von Stromableiter und Separator wird das 3D-Elektroden-Konzept im Hinblick auf eine weitere Steigerung der Batterieperformance sinnvoll ergänzt und anhand von Funktionsmustern mit Kapazitäten bis 20 Ah demonstriert. Während die Separatorstrukturierung (Technologie: Direktes Laserschreiben - DLS) zur Verbesserung der Benetzung beiträgt, ist das Einbringen von Mikro-/Nano-Strukturen am Stromableiter (Technologie: Direktes Laserinterferenzstrukturieren - DLIP) erforderlich, so dass mechanische als auch elektrische Eigenschaften deutlich verbessert werden können.
Neben der grundlegenden Prozessentwicklung mit dem Fokus einer schädigungs- und debrisfreien Bearbeitung der Inaktivmaterialien werden technologische Aufskalierungskonzepte unter Anwendung einer Ultrakurzpuls-Hochleistungslaserquelle erarbeitet und in einer industrierelevanten Umgebung evaluiert. Da die im Projekt adressierten neuen Elektrodenkonzepte ein Übertragen der Laserprozesse DLS und DLIP auf einen Rolle-zu-Rolle(R2R)-Ansatz erfordern, wird neben den optischen Konzepten (Strahlführung und –formung) auch ein ganzheitlicher Systemansatz erarbeitet. Dieser ermöglicht eine Maximierung der Prozesseffizienz bei gleichzeitiger Einbindung von Methoden der Qualitätssicherung. Insbesondere dieser Systemansatz ermöglicht ein fokussiertes Bündeln der Kernkompetenzen aller Projektbeteiligten, so dass im Erfolgsfall ein beschleunigter Technologietransfer in die Produktion vollzogen werden kann. Ein sich aus dem Vorhaben ableitendes, verbessertes elektrochemisches Lade- und Entladeverhalten und ein tieferes Verständnis der Benetzungsvorgänge wird die Sicherheit der Zellen maßgeblich verbessern.

Der erste Arbeitsschwerpunkt ist das Strukturieren von Kupfer- und Aluminium-Stromableiterfolien mittels Direktem Laserinterferenzverfahren (DLIP) zur Verbesserung der Schichthaftung bei Hochenergie- und Dickschichtelektroden. Dazu werden grundlegende Prozessparameter der DLIP Strukturierung in Kombination mit einer UKP-Hochleistungslaserquelle untersucht und die Ableiterfolien hinsichtlich ihrer Performanceeigenschaften zusammen mit den Projektpartnern evaluiert. In einem zweiten Schritt werden vielversprechende Aufskalierungskonzepte zur großflächigen Oberflächenstrukturierung mit den Projektpartnern erarbeitet, die erforderliche Prozess- und Systemtechnik (Laser, Optiken, Scanner) angepasst und in einer anwendungsnahen Umgebung (Rolle-zu-Rolle-Prozess) umgesetzt und evaluiert. Dazu wird mit den Projektpartnern ein ganzheitlicher Systemansatz erarbeitet sowie der vielversprechendste Aufskalierungsansatz identifiziert. Die Systemtechnik wird durch eine neu zu entwickelnde Qualifizierungsmethode ergänzt, welche insbesondere bei der Bewertung des Strukturierungsergebnisses anhand definierter Qualitätsmerkmale (bspw. Strukturperiode und –tiefe) zum Tragen kommt.
Zweiter Arbeitsschwerpunkt ist das direktschreibende Strukturieren der Separatoroberflächen mittels Ultrakurzpulslasern angepasster Strahleigenschaften und Prozessführung. Hierfür werden die Systemtechnikkonzepte aus der Elektroden-Strukturierung auf die Anforderungen der Separatormaterialien übertragen und adaptiert. Ziel der Prozessentwicklung ist die effiziente, großflächige Mikrostrukturierung der Oberfläche des Separators. Durch die Oberflächenstrukturierung der Separatoren soll eine weitere signifikante Steigerung der Elektrolytbenetzung des Stapelsystems aus Elektroden und Separatoren sowie eine Steigerung der Batterieperformance und Lebensdauer erreicht werden.

Durch die Oberflächenmodifizierung der Separatoren wird eine Verkürzung der Elektrolyt-Befüllzeit und -Benetzungsdauer ermöglicht, die eine signifikante Reduzierung der gesamten Produktionszeit erlaubt. Bei den meisten Elektrolytsystemen ist der Befüllprozess von Zellen der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. Daher hat eine Reduktion der Befüllzeit einen direkten Einfluss auf die Fertigungskosten. Durch eine gezielte Verbesserung der Elektrolytbenetzbarkeit von Separatoren (zusammen mit den Elektroden) könnten die Auslagerungszeiten und Formierzeiten frisch befüllter Li-Ionen Zellen maßgeblich reduziert werden. Bei minimalen Auslagerungszeiten, die entweder komplett vermieden oder nur im Stundenbereich liegen, ergeben sich daher enorme Kostenvorteile. Zusätzliche Kostenreduzierungen können bei reduzierten Ausschussraten und erhöhter Lebensdauer entsprechend befüllter Zellen erreicht werden.
Die durch Mikro- und Nanostrukturen modifizierten Stromableiterfolien führen zu einer Erhöhung der Schichtanhaftung zwischen Aktivmaterial und Metallfolie. Daraus resultiert neben einer signifikant verringerten Delaminationsneigung (erhöhte Zyklenfestigkeit und Zellsicherheit) auch ein verringerter elektrischer Übergangswiderstand (erhöhte Zellperformance).

Die neu zu entwickelnden Prozesstechnik-Konzepte und -Komponenten werden in das Portfolio des Institutes aufgenommen und somit für Batteriehersteller und Materialentwickler verfügbar gemacht.

Vorhandene bzw. neue Batteriefertigungslinien könnten durch die verbesserten Methoden und neue Erkenntnisse zur Zellchemie mit bereits bekannter Produktionstechnologie unter Hinzunahme der neuen Schritte sehr einfach modifiziert bzw. realisiert werden. Die Entwicklungsergebnisse zur Strukturierung der Inaktivmaterialien lassen sich vorteilhaft auch auf andere Zellkonzepte übertragen.

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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.

Wissenschaftskommunikation

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Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS

Unternehmenskommunikation

Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS

Herr Dr. Udo Klotzbach

nextgen-3dbat

NextGen-3DBat

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Erarbeitung des Konzepts eines hochdynamischen Scansystems zur flächigen Bearbeitung in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess von Komponenten für elektrische Energiespeicher ,Aufbau eines kompakten Scansystems im Labormaßstab zur Durchführung detaillierter Versuche zur Elektrodenstrukturierung,Synchronisation von Materialfördereinheit, Laserstrahlquelle und Laser-Scantechnologie

Duration	01/02/2019 - 31/01/2022
Executing unit	Novanta
City	Wackersdorf
Amount of funding	323.898,00 €
Total budget	no information
Sponsor	BMFTR