Elektrodenarchitekturen für Hochenergie- und Hochleistungsbatterien der nächsten Generation

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.