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Strahlender Enabler

Mit dem Laser zur günstigen Industrie-Festkörperbatterie

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Fraunhofer-Institut für Lasertechnik
Treston Deutschland GmbH
Renishaw GmbH

Festelektrolyte können per Laser gesintert werden

Ein Forschungsansatz am Fraunhofer ILT betrifft deshalb die Verarbeitung oxidkeramischer Festelektrolyte wie LLZO. Dieses Material gilt als besonders vielversprechend, weil es im Vergleich zu Lithium-Metall-Anoden eine hohe elektrochemische Stabilität hat und mit Blick auf sulfidhaltige Elektrolyte weniger reaktiv auf Umgebungsbedingungen reagiert. Die Forscher untersuchen dabei etwa, wie sich die Laserstrahlung als lokal begrenzte und hochdynamische Energiequelle nutzen lässt, um LLZO-Schichten gezielt zu verdichten, wie man erfahren darf. Der Vorteil vom Laser erkläre sich aus der schnellen Aufheizung bei gleichzeitig kontrollierter Abkühlung. So ließen sich Lithiumverluste reduzieren und Temperaturinkompatibilitäten innerhalb des Zellverbunds vermeiden. Erste Experimente offenbarten homogene Verdichtungen, auch wenn Riss- und Delaminationseffekte weiterhin ein zentrales Forschungsthema blieben. Neben LLZO werden auch sogenannte Nasicon-artige Elektrolyte wie Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat (LATP) untersucht, die ähnliche Prozessanforderungen haben, aber andere Stabilitätsfenster.

Das Grenzflächenproblem per Laserstrukturierung lösen

Außer der Verdichtung der Elektrolytschichten ist, wie gesagt, die Qualität der Grenzfläche zur Lithium-Metall-Anode hin entscheidend für die Leistungsfähigkeit von Festkörperzellen. Dabei stören aber oft hohe Übergangswiderstände, die das elektrochemische Verhalten limitieren. Außerdem erschwere die geringe Benetzbarkeit der Keramikoberflächen, dass die Abscheidung von Lithium homogen geschehe. Man untersucht deshalb, wie sich die Grenzflächen durch gezielte Laserstrukturierung optimieren lassen. Ultrakurze Laserpulse im Femtosekundenbereich arbeiten dabei die Mikrostrukturen in die Oberfläche des Festelektrolyten ein. Diese Strukturen erhöhen die effektive Kontaktfläche und begünstigen so eine gleichmäßigere Verteilung des Stroms. Die sogenannte Grenzflächenimpedanz könne sich so potenziell reduzieren lassen. Reproduzierbare Strukturen im Bereich von rund 30 Mikrometern könnten sich so erzeugen lassen. Doch das Ganze sei auch recht komplex.

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Trotz aller Bemühungen kann der Widerstand steigen

Denn während die strukturierten Oberflächen in einzelnen Fällen eine verbesserte Benetzung zeigten, stiege der Gesamtwiderstand der Zelle mitunter dennoch an. Die Experten vermuten nun, dass sowohl Veränderungen der Kristallstruktur als auch prozessbedingte Defekte dafür verantwortlich sind. Über die sogenannte Raman-Spektroskopie und weitere analytische Verfahren charakterisiert man deshalb nach der Laserbearbeitung die strukturellen Veränderungen im Kristallgitter. Parallel untersucht man auch das gezielte Lithium-Plating, um die Kontaktierung besser zu steuern. Auch Konzepte für sogenannte Anodeless Batteries, bei denen das Lithium erst beim ersten Ladeprozess abgeschieden wird, stehen im Fokus der Untersuchungen.

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