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Innovativer Fertigungsprozess senkt Energieverbrauch in der Elektrodenproduktion

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Autor: Sarah Gottschalk

Innovativer Fertigungsprozess senkt Energieverbrauch in der Elektrodenproduktion
Das Lasertrocknungssystem (Quelle:Fraunhofer ILT )

Das Forschungsprojekt IDEEL (Implementation of Laser Drying Processes for Economical & Ecological Lithium Ion Battery Production) soll ein Lasertrocknungsverfahren zur klimafreundlicheren und wirtschaftlicheren Serienproduktion von Lithium-Ionen-Batterien auf den Weg bringen. In diesem Zusammenhang ist es jetzt erstmals gelungen, lasergetrocknete Anoden und LFP-Kathoden im Rolle-zu-Rolle-Verfahren herzustellen. Der innovative Fertigungsprozess senkt den Energieverbrauch in der Elektrodenfertigung signifikant und ermöglicht zugleich eine Verdopplung der Trocknungsgeschwindigkeit.

Herstellung im Rolle-zu-Rolle-Verfahren

Im Rahmen dessen ist 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 Laserline Hochleistungsdiodenlaser mit Zoomoptik in der dortigen Folienbeschichtungsanlage integriert, um einen homogenen Laserspot zur Trocknung des Aktivmaterials zu erzeugen. 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.

Kostengünstigere und nachhaltigere Batterieproduktion

Ersten Ergebnissen zufolge senkt der innovative 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. Vergleichende Benchmark-Analysen der Qualitätseigenschaften (Restfeuchte des Aktivmaterials, Adhäsion der Beschichtung auf der Trägerfolie) konvektions- und lasergetrockneter Elektroden bestätigten diese Produktivitätssteigerung. Die bisherigen Projektergebnisse demonstrieren, dass der Verfahrensansatz nicht nur für Neuanlagen geeignet ist, sondern auch, dass bestehende Konvektionsöfen sich mit einer entsprechenden Lasertrocknungstechnik nachrüsten lassen.

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 Faktor 10 möglich sein wird.