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Der Laser erweitert die Designfreiheit für Batteriezellen

Ein weiterer Schwerpunkt der Aachener liegt auf der Trennung von Metallfolien aus Lithium, die als Anodenmaterial fungieren. Lithiummetall gilt zwar als zentrale Komponente für die nächste Generation von Hochenergiezellen, stellt die Fertigungstechnik aber vor erhebliche Herausforderungen. Denn das Material ist weich, sehr adhäsiv und extrem reaktiv, heißt es dazu. Konventionelle mechanische Verfahren (Rollmesser oder Stanzen) leiden dabei am Verkleben der Werkzeuge und sorgen für inhomogene Schnittkanten. Auch seien mechanisch nur lineare Schnittgeometrien machbar, was die Flexibilität im Zelllayout stark einschränke. Die Lasertechnik eröffnet aber auch bei diesem Thema neue Möglichkeiten. Denn als kontaktloses und verschleißfreies Bearbeitungsverfahren gelingen mit ihr präzise Schnitte bei wesentlich mehr Freiraum in Sachen Konturverlauf. Aber sowohl mechanische als auch laserbasierte Prozesse an Lithiummaterialien müssen in Inertgas- oder Trockenraumatmosphären ablaufen. Argon eigne sich dafür besonders gut, weil es die Oxidation des Metalls verhindert und dadurch gleichmäßige Kanten ermöglicht. Leider ist es teuer. Und Stickstoff ist zwar deutlich günstiger, lässt aber zu, dass sich Lithiumnitride bilden. Und Atmosphären mit Wassergehalt begünstigen die Entstehung von Oxiden und Hydroxiden. Diese Reaktionsprodukte erhöhen den Energiebedarf des Prozesses und können die elektrochemischen Eigenschaften der Elektrode verschlechtern. Grundlagenforschungen nehmen sich dieser Probleme derzeit an. Vermieden werden müssen übrigens auch Spritzer und Partikel, die der Laserprozess mit sich bringt. Deshalb arbeitet man auch daran, die Ablation gezielt zu steuern und flüchtige Partikel effizient abzuführen.

Zusammenfassung und Ausblick für die Festkörperbatterie

Die Überführung von Festkörperbatterien aus dem Labor in die industrielle Fertigung erfordert aber leider nicht nur neue Materialien, sondern vor allem auch belastbare Prozesse. Dabei bietet die Produktion von Lithium-Ionen-Zellen schon mal eine wertvolle Referenz. Denn viele Prozessschritte, die sich von der Elektrodenfertigung über die Zellmontage bis hin zur Endbearbeitung erstreckten, seien prinzipiell vergleichbar, wenngleich die Anforderungen bei Festkörperzellen deutlich höher seien. Und Lasertechnologien sind in der Lithium-Ionen-Fertigung bereits etabliert. Sie kommen beim Laser-Slitting zum Einsatz, also dem präzisen Längsteilen von Elektrodenfolien, beim Lasertrocknen, um Lösungsmittel schnell und energieeffizient zu entfernen, oder beim Laser-Notching, dem Ausklinken der Stromableiter. Diese Erfahrungen lassen sich in weiten Teilen auf Festkörperzellen übertragen. Allerdings steigen die Ansprüche an Präzision, Reinheit und Materialstabilität erheblich, denn selbst kleinste Partikel, Defekte oder chemische Veränderungen können die Funktion der Zellen beeinträchtigen. Doch durch die Vorteile der Laserbearbeitung winken geringere Ausschussraten und kürzere Anlaufzeiten für die Produktion der nächsten Batteriegeneration. Dennoch werden Festkörperbatterien die etablierten Lithium-Ionen-Zellen nicht so schnell verdrängen, auch wenn sie neue Perspektiven für Anwendungen eröffnen, die höchste Anforderungen an Sicherheit und Energiedichte stellen.

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