Elektrodenarchitekturen für Hochenergie- und Hochleistungsbatterien der nächsten Generation
Teilprojekt 1
Entwicklung von UKP-Lasersystemen zur Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Batterien nächster Generation
Laufzeit: 01.02.2019 bis 31.01.2022
Fördersumme: 330.062,00 €
Projektvolumen: keine Angabe
Fördergeber: BMBF, Referat 523
Förderkennzeichen: 03XP0198A
Projektträger: PT-J
Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien
Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung
Förderart: PDIR
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.
Laufzeit der angegebenen
Teilprojekte: 01.02.2019 bis 31.01.2022
Fördersumme der angegebenen
Teilprojekte: 2.030.286,00 €
Projektvolumen der angegebenen
Teilprojekte: keine Angabe
Teilprojekt 1: Entwicklung von UKP-Lasersystemen zur Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Batterien nächster Generation
Förderkennzeichen: 03XP0198A
EdgeWave GmbH
52146 Würselen
Teilprojekt 5:
Förderkennzeichen: 03XP0198F
Karlsruher Institut für Technologie - Institut für Angewandte Materialien - Angewandte Werkstoffphysik
76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Teilprojekt 6:
Förderkennzeichen: 03XP0198G
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik
01277 Dresden
Fördergeber: BMBF, Referat 523
Projektträger: PT-J
Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien
Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung
Förderart: PDIR
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.
Metall-Ionen-Batterien
Undefiniert
Industrie, Forschungs- und Entwicklungseinrichtung
schwarze Schlagworte: charakterisieren das Teilprojekt
graue und schwarze
Schlagworte: charakterisieren das komplette Verbundprojekt
Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien
Industrie Anlagen-, Maschinenbau und Automatisierung Lasersysteme
Telefon: +49 2405 4186 17
Fax: +49 2405 4186 33
E-Mail:
du@edge-wave.com
keine Angabe
kein Pressekontakt
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