3D-Strukturierung von Solid-state-Kathoden zur Erhöhung der Leistungs- und Energiedichte

Das Gesamtvorhaben zielt darauf ab, Batterien mit dreidimensional strukturierten dicken Elektroden aufzubauen. Der Fokus der Entwicklungen liegt auf dem Materialbaukasten, mit dem möglichst hocheffiziente Elektroden aufgebaut werden sollen, sowie der additiven Fertigungsverfahren zur Herstellung dieser Elektroden aus den selektierten Materialien.

LPKF unterstützt das Gesamtvorhaben mit additiven und subtraktiven Laserstrukturierungsverfahren. Dabei spielt es eine große Rolle, dass die Einwirkung der Laserstrahlung die Batteriematerialien in ihren Eigenschaften möglichst wenig beeinflusst. Zudem können bei den Wechselwirkungsprozessen gefährliche Zersetzungsprodukte entstehen, die nicht in die Umwelt gelangen sollen. Die Prozesssicherheit ist daher ein weiteres Ziel von LPKF.

Dazu muss ein grundlegendes Verständnis der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie speziell für die ausgewählten Batteriematerialien gewonnen werden. Darauf aufbauend werden die Laserprozesse eingesetzt, um dreidimensional strukturierte Elektroden aufzubauen und zu charakterisieren.

Als additives Verfahren hat LPKF das Lasersintern ausgewählt. Dabei werden pulverförmige Materialien mit einem geeigneten Laserstrahl verdichtet und zum Teil angeschmolzen, um eine zusammenhängende Schicht zu erzeugen. Dies kann flächig oder selektiv geschehen, so dass Schicht für Schicht eine 3D-Struktur aufgebaut werden kann. Beim Sintern wird in der Regel das Material nicht aufgeschmolzen, was eine Veränderung der Materialeigenschaften verhindern sollte. Allerdings ist es nicht mit allen Materialien möglich, ohne Aufschmelzen eine zusammenhängende Schicht zu erzeugen. LPKF wird insbesondere untersuchen, inwieweit das Schmelzen der Pulverpartikel eine (irreversible) Veränderung der Eigenschaften hervorruft und wie dies vermieden werden kann.

Zusätzlich untersucht LPKF den subtraktiven Laserabtrag, der einsetzt wird, um einzelne Schichten und Schichtsysteme selektiv abzutragen und so die dreidimensionale Strukturierung zu erzeugen. Dabei spielt es eine große Rolle, dass sich das abgetragene Material nicht wieder auf der Probe absetzt und die Randbereiche nicht beschädigt werden. Zudem können gefährliche Zersetzungsprodukte entstehen, die abgesaugt und gefiltert werden müssen. Daher baut LPKF eine Prozesseinheit auf, für die die Schutzgasatmosphäre und eine geeignete Absaugung vorgesehen sind.

LPKF unterstützt die Charakterisierung der bearbeiteten Materialien mit eigener Messtechnik, baut die eigenen Entwicklungen aber im Wesentlichen auf der funktionalen Charakterisierung durch die Institute auf.

Die dreidimensional strukturierten Elektroden werden verwendet, um Batteriezellen aufzubauen und den Nutzen des Konzepts zu demonstrieren. Dabei sollen Energie- und Leistungsdichte der Zellen gesteigert werden.

Die Lasertechnik weist großes Potenzial für den Einsatz in der Batteriefertigung auf. Für LPKF bietet das Projekt die Möglichkeit, Erfahrungen technologischer und wirtschaftlicher Natur zu sammeln. LPKF plant, aufbauend auf den Projektergebnissen eine interne Produktentwicklung durchzuführen, in der der Prototyp einer anwendungsorientierten Laseranlage für das selektive Sintern und die subtraktive Strukturierung entwickelt und aufgebaut wird.