Elektrodenarchitekturen für Hochenergie- und Hochleistungsbatterien der nächsten Generation

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.