Lasertrocknung Rolle-zu-Rolle
Elektrodenbahn mit Trocknungsübergang
Effiziente Serienproduktion von Lithium-Ionen-Batterien. Das Ziel des auf drei Jahre angelegten Forschungsprojekts IDEEL (Implementation of Laser Drying Processes for Economical & Ecological Lithium Ion Battery Production) ist es, ein industrierelevantes Lasertrocknungsverfahren zu entwickeln, das eine klimafreundlichere und zugleich wirtschaftlichere Serienproduktion von Lithium-Ionen-Batterien ermöglicht. Im Rahmen des Projekts unter Führung der Laserline GmbH aus Mülheim-Kärlich ist nun erstmals die Herstellung lasergetrockneter Anoden und LFP-Kathoden im Rolle-zu-Rolle-Verfahren gelungen. Basierend auf industrierelevanten Elektrodenpasten konnte das PEM (Production Engineering of E-Mobility Components) eine Prozessierbarkeit wässriger LFP-Kathoden und Anoden in der Prototypenanlage am eLab der RWTH Aachen nachweisen. In Kooperation mit dem MEET (Münster Electrochemical Energy Technology Batterieforschungszentrum) wurden die Qualitätseigenschaften evaluiert und optimierte Elektrodenpasten entwickelt. Für die Demonstrationsversuche wurde ein Hochleistungsdiodenlaser mit Zoomoptik von Laserline in die dortige Folienbeschichtungsanlage integriert, um einen homogenen Laserspot zur Trocknung des Aktivmaterials zu erzeugen (Bild). Die Temperaturverteilung auf der Elektrode wurde mittels einer Thermografiekamera der Optris GmbH überwacht. Der Proof-of-Concept erfolgte bei einer Bahngeschwindigkeit von 1,3 m/min, wobei sowohl eine reine Lasertrocknung als auch eine hybride Trocknung mit Laser und nachgeschaltetem Konvektionsofen erfolgreich demonstriert werden konnten.
Geschwindigkeit der Trocknung verdoppelt
Ersten Ergebnissen zufolge senkt der Fertigungsprozess bei einer reinen Lasertrocknung den Energieverbrauch in der Elektrodenfertigung um bis zu 85 Prozent. Die Untersuchung des Hybridprozesses ergab zudem, dass im Vergleich zur reinen Konvektionstrocknung durch Hinzufügen einer Laserstation eine Verdopplung der Trocknungsgeschwindigkeit erreicht werden konnte. Insgesamt lässt sich so die Batterieproduktion kostengünstiger und nachhaltiger gestalten. Im weiteren Projektverlauf ist die Skalierung der Bahngeschwindigkeit auf 10 m/min (Fraunhofer ILT) und zum Projektende auf 30 m/min (Coatema Coating Machinery GmbH) geplant. Dazu entwickelt Laserline derzeit Optiken zur Erzeugung eines großflächigen Laserspots. Erste Forschungsergebnisse weisen zudem darauf hin, dass perspektivisch eine Reduzierung der Anlagengröße um den Faktor 10 möglich sein wird.
Entwickelt werden im Forschungsprojekt IDEEL zunächst eine neue, für den Lasereinsatz optimierte Elektrodenpaste als Beschichtungswerkstoff (PEM RWTH, MEET WWU), ein hocheffizientes Lasersystem mit großflächigem, homogenem Spot (Laserline) sowie eine hochintegrative Thermografiekamera zur kontaktlosen Prozessüberwachung (Optris, Laserline, Fraunhofer ILT). Darauf aufbauend soll der laserbasierte Trocknungsprozess innerhalb eines Demonstrators (Coatema) auf industrietypische Vorschubgeschwindigkeiten hochskaliert und abschließend das physikalische Modell des neuen Trocknungsprozesses validiert werden (ILT, Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB). Die Forschungsergebnisse sollen künftig in die Prozesse der FFB einfließen.
Lasertrocknen in der Batteriefertigung
Der Trocknungsprozess, den das IDEEL-Projekt adressiert, ist Teil der Elektrodenherstellung für High-Power-Batteriezellen, wie sie beispielsweise in Elektrofahrzeugen oder Heimspeichersystemen zum Einsatz kommen. Er dient dem Trocknen einer Elektrodenpaste (Slurry), die auf die Kupferfolie der Batterieelektrode aufgetragen wird. Für die Wärmetrocknung dieser Elektrodenbeschichtung werden bisher Konvektionstrockner eingesetzt, die jedoch die CO2-Bilanz und die Energiekosten der Batterieproduktion stark belasten. Die Projektpartner setzen deshalb auf die Hochskalierung eines energieeffizienteren Trocknungsverfahrens.
Laserline GmbH
D-56218 Mülheim-Kärlich
Tel. +49 2630 964 4000