Gesenk­ter Ener­gie­ver­brauch in der Elektrodenproduktion

Erst­mals die Her­stel­lung laser­ge­trock­ne­ter Anoden und LFP-Katho­den im Rol­le-zu-Rol­le-Ver­fah­ren gelun­gen — im Rah­men des IDEEL For­schungs­pro­jek­tes (Imple­men­ta­ti­on of Laser Dry­ing Pro­ces­ses for Eco­no­mi­c­al & Eco­lo­gi­cal Lithi­um Ion Bat­te­ry Pro­duc­tion) unter Füh­rung von Laser­line. 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) konn­ten die Qua­li­täts­ei­gen­schaf­ten eva­lu­iert und opti­mier­te Elek­tro­den­pas­ten ent­wi­ckelt wer­den. 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 von Optris über­wacht. Der Pro­of-of-Con­cept erfolg­te bei einer Bahn­ge­schwin­dig­keit von 1,3 Meter pro Minu­te, wobei sowohl eine rei­ne Laser­trock­nung als auch eine hybri­de Trock­nung mit Laser und nach­ge­schal­te­tem Kon­vek­ti­ons­ofen erfolg­reich demons­triert wer­den konnten.

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 Meter pro Minu­te (Fraun­ho­fer ILT) und zum Pro­jek­ten­de auf 30 Meter pro Minu­te (Coate­ma Coa­ting Machine­ry) 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.

IDEEL-Pro­jekt

Das IDEEL-Pro­jekt (Imple­men­ta­ti­on of Laser Dry­ing Pro­ces­ses for Eco­no­mi­c­al & Eco­lo­gi­cal Lithi­um Ion Bat­te­ry Pro­duc­tion) ist eine vom Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Bil­dung und For­schung im Rah­men des För­der­pro­gramms Bat­te­rie 2020 unter­stütz­te For­schungs­ko­ope­ra­ti­on unter Füh­rung von Laser­line. Die wei­te­ren Pro­jekt­part­ner sind im Ein­zel­nen: Coate­ma Coa­ting Machine­ry und Optris sowie das Fraun­ho­fer-Insti­tut für Laser­tech­nik (ILT), die Fraun­ho­fer-Ein­rich­tung For­schungs­fer­ti­gung Bat­te­rie­zel­le (FFB) Müns­ter, das Müns­ter Elec­tro­che­mi­cal Ener­gy Tech­no­lo­gy (MEET) Bat­te­rie­for­schungs­zen­trum der WWU Müns­ter und das Pro­duc­tion Engi­nee­ring of E‑Mobility Com­pon­ents (PEM) der RWTH Aachen. Ziel des auf drei Jah­re ange­leg­ten Pro­jek­tes ist es, ein indus­trie­re­le­van­tes Laser­trock­nungs­ver­fah­ren zu ent­wi­ckeln, das eine kli­ma­freund­li­che­re und zugleich wirt­schaft­li­che­re Seri­en­pro­duk­ti­on von Lithi­um-Ionen-Bat­te­rien ermöglicht.

Ent­wi­ckelt wer­den 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, FFB).

Die For­schungs­er­geb­nis­se sol­len künf­tig in die Pro­zes­se der FFB ein­flie­ßen. Die FFB gilt als eines der Leucht­turm­pro­jek­te der deut­schen Bat­te­rie­for­schung und soll zum Ent­wick­lungs­zen­trum einer moder­nen Bat­te­rie­zell­pro­duk­ti­on für Deutsch­land und sei­ne euro­päi­schen Part­ner aus­ge­baut wer­den. Ziel ist es, die Abhän­gig­keit der deut­schen bezie­hungs­wei­se euro­päi­schen Pro­du­zen­ten vom Welt­markt zu ver­rin­gern. Am Stand­ort Müns­ter ent­steht des­halb aktu­ell eine kom­plet­te Fer­ti­gungs­in­fra­struk­tur, mit deren Hil­fe Unter­neh­men und For­schungs­ein­rich­tun­gen die Seri­en­pro­duk­ti­on neu­er Bat­te­rien erpro­ben und opti­mie­ren können.

Laser­trock­nen im Kon­text 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 aus einer gezielt abge­stimm­ten, homo­ge­nen Aktiv­ma­te­ri­al­mi­schung besteht und auf die Kup­fer­fo­lie der Bat­te­rie­elek­tro­de auf­ge­tra­gen wird. Für die Wär­me­trock­nung die­ser Elek­tro­den­be­schich­tung wer­den bis­her Kon­vek­ti­ons­trock­ner ein­ge­setzt, die ihre Wär­me­en­er­gie jedoch nur indi­rekt in das Mate­ri­al ein­tra­gen und somit die CO2-Bilanz und die Ener­gie­kos­ten der Bat­te­rie­pro­duk­ti­on stark belas­ten. Die IDEEL-Pro­jekt­part­ner set­zen des­halb auf die Hoch­ska­lie­rung eines ener­gie­ef­fi­zi­en­te­ren Trock­nungs­ver­fah­rens, bei dem die Beschich­tung mit Hil­fe von Hoch­leis­tungs­di­oden­la­sern bestrahlt wird. Das Ver­fah­ren pro­fi­tiert von der guten Absorp­ti­on des infra­ro­ten Laser­lichts im Beschich­tungs­ma­te­ri­al, ermög­licht im Ver­gleich zur gän­gi­gen Kon­vek­ti­ons­tech­no­lo­gie eine fle­xi­ble­re und prä­zi­se­re Pro­zess­re­ge­lung und zielt im Pro­jekt auf die Demons­tra­ti­on von Bahn­ge­schwin­dig­kei­ten von bis zu 30 Metern pro Minu­te ab. Durch die kom­pak­te Bau­wei­se und den effi­zi­en­ten Ener­gie­über­gang sol­len die flä­chen­in­ten­si­ven Trock­nungs­stre­cken von übli­cher­wei­se mehr als 100 Metern Län­ge signi­fi­kant ver­kürzt wer­den. Dadurch soll die geplan­te Anla­ge den Platz­be­darf inner­halb der Pro­duk­ti­ons­um­ge­bung wesent­lich redu­zie­ren und eine schnel­le­re und ener­gie­ef­fi­zi­en­te­re Pro­zess­füh­rung mög­lich machen.