Elektrodenarchitekturen für Hochenergie- und Hochleistungsbatterien der nächsten Generation

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.