Aachener Forscher verkürzen Elektroden-Trocknungszeit mit Laser-Verfahren
Hintergrund der Forschung ist, dass die Lithium-Ionen-Batterien immer noch die teuerste Einzelkomponente eines Elektroautos sind – konkret gibt der PEM in der Mitteilung 31 Prozent der Gesamtkosten an. Neben der Beschaffung der Rohstoffe machen auch die derzeitigen Produktionsverfahren die Batterie teuer.
Dass die Batteriefertigung so energieintensiv ist, liegt unter anderem an der Herstellung der Elektroden: Die Aktivmaterialien (bei der Kathode etwa Lithium, Nickel, Mangan und Kobalt) werden in Pulverform vermischt und mit flüssigen Bindemitteln zu einer Paste angerührt. Diese Paste, in der Fachsprache Slurry genannt, wird dann möglichst dünn auf die Trägerfolie aufgetragen – und umgehend in riesigen Öfen getrocknet, um die flüssigen Bestandteile zu verdampfen. Die Flüssigkeit wird also nur für den Prozessschritt des Auftragens benötigt und wird danach in je nach Anlage mehreren Metern breiten und bis zu 100 Meter langen Öfen mit hohem Energieaufwand getrocknet.
Die Aachener Forscher geben nun an, dass das neue, laserbasierte Verfahren „eine signifikante Reduktion der Trocknungszeit bei mindestens gleicher Qualität gegenüber dem aktuellen Stand der Technik“ erlaube. Entwickelt wurde die Technologie gemeinsam mit dem ausgegründeten Ingenieursdienstleister PEM Motion und dem baden-württembergischen Laser-Spezialisten Trumpf Sogenannte VCSEL-basierte Laser-Heizsysteme sollen sowohl die Betriebskosten als auch den CO2-Verbrauch um bis zu 40 Prozent verringern. Außerdem lasse sich der Equipment-Aufwand bei gleichbleibender Elektroden- und Zellqualität um bis zu 50 Prozent reduzieren.
Und: Mit den VCSEL-Laserheizsystemen soll dank des modularen Aufbaus eine präzsiere Trocknung möglich sein. Sie verfügen über separate Zonen, was eine genaue Steuerung einzelner Beleuchtungszonen erlauben soll. Eine weitere besondere Eigenschaft der VCSEL-Module liegt in deren Kompaktheit und einem geringen Arbeitsabstand. Das soll eine einfache Integration auch in bestehende Anlagen ermöglichen.
„Dieser Prozessschritt ermöglicht eine wesentlich energieeffizientere, hochwertigere und kostengünstigere Herstellung von Batterien“, sagt PEM-Leiter Professor Achim Kampker. Ralph Gudde, Vice President Marketing and Sales bei Trumpf Photonic Components, ergänzt: „Die Lasertrocknung bietet viele Vorteile – wie eine verbesserte Energieeffizienz, eine geringere Stellfläche und eine bessere Prozesskontrolle.“
Die Ergebnisse der experimentellen Studie, die der RWTH-Lehrstuhl auf einer eigenen Forschungslinie vorgenommen hatte, präsentiert das Institut gemeinsam mit seinem Spin-off „PEM Motion“ und dem Technologie-Unternehmen Trumpf in einem Whitepaper in englischer Sprache.
Erst im April hatte der PEM mitgeteilt, im Rahmen des Forschungsprojekts IDEEL eine Methode entwickelt zu haben, um LFP-Kathoden und Graphit-Anoden mit einem Laserverfahren zu trocknen. Hierbei hatten die Aachener mit dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) zusammen gearbeitet.
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