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Laserbasierte Trocknung auf industrielle Produktionsgeschwindigkeiten skalieren

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Autor: Jonas Völker

Laserbasierte Trocknung auf industrielle Produktionsgeschwindigkeiten skalieren
Laserbasierte Trocknung unterstützt klimafreundlichere Produktionsprozesse. (Foto: Studio Wiegel + Fraunhofer)

Um klimafreundlichere und wirtschaftlichere Produktionsprozesse zu unterstützen, ersetzte die laserbasierte Trocknung den Konvektionstrockner. Zur Förderung unterstützt das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Förderprogramms Batterie 2020 das Forschungsprojekt IDEEL. Dieses soll ein Lasertrocknungsverfahren zur klimafreundlicheren und wirtschaftlicheren Serienproduktion von Lithium-Ionen-Batterien auf den Weg bringen. Die Ergebnisse fließen in die Fraunhofer Forschungsfertigung Batteriezelle in Münster ein, die Anwendern aus Industrie und Forschung die Erprobung und Optimierung der Serienproduktion neuer Batterien ermöglichen wird.

Laserbasierte Trocknung zur Produktion von Lithium-Ionen-Batterien

Ein industrierelevantes Lasertrocknungsverfahren zu entwickeln, das eine klimafreundlichere und wirtschaftlichere Serienproduktion von Lithium-Ionen-Batterien unterstützt: Mit diesem Ziel wurde am 22. Oktober 2021 das öffentlich geförderte Forschungsprojekt IDEEL (Implementation of Laser Drying Processes for Economical & Ecological Lithium Ion Battery Production) ins Leben gerufen. Das Projekt ist auf eine Laufzeit von drei Jahren ausgelegt und wird in den Aufbau einer exemplarischen Lasertrocknungsanlage münden, die eine serienfertigungsnahe Trocknung der Elektrodenbeschichtung in Hochleistungsbatterien demonstriert. Die geplante Anlage wird weniger Produktionsfläche beanspruchen und zudem schneller und energieeffizienter agieren als herkömmliche Trocknungstechnologien*. Projektpartner sind im Einzelnen:

  • Laserline GmbH
  • Coatema Coating Machinery GmbH
  • Optris GmbH
  • Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT)
  • Forschungsfertigung Batteriezelle (FFB) am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT)
  • Münster Electrochemical Energy Technology (MEET) Batterieforschungszentrum der WWU Münster
  • Production Engineering of E-Mobility Components (PEM) der RWTH Aachen

Mehrere Teilziele sollen zum Erfolg führen

Innerhalb des IDEEL-Vorhabens verfolgen die Projektpartner mehrere Teilziele. Entwickelt werden im ersten Schritt eine neue, für den Lasereinsatz optimierte Elektrodenpaste als Beschichtungswerkstoff (PEM RWTH, MEET WWU), ein hocheffizientes Lasersystem mit großflächigem, homogenem Spot (Laserline) sowie eine hochintegrative, auf kontaktloser Temperaturmessung basierende 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). Das Forschungsprojekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Förderinitiative Batterie 2020 unterstützt.

FFB profitiert von der Ergebnissen der laserbasierten Trocknung

Die Ergebnisse des IDEEL-Projekts sollen künftig in die Prozesse der Fraunhofer Forschungsfertigung Batteriezelle (FFB) einfließen, die das Projekt konzipierend und beratend begleitet. Die FFB gilt als eines der Leuchtturmprojekte der deutschen Batterieforschung und soll nach dem Willen ihrer Betreiber und Förderer zum Entwicklungszentrum einer modernen Batteriezellproduktion für Deutschland und seine europäischen Partner ausgebaut werden. Am Standort Münster entsteht deshalb aktuell eine komplette Fertigungsinfrastruktur, mit deren Hilfe Unternehmen und Forschungseinrichtungen die Serienproduktion neuer Batterien erproben und optimieren können. Ziel ist es, eine effiziente, günstige, qualitativ hochwertige Batteriefertigung zu ermöglichen, welche die Abhängigkeit der deutschen bzw. europäischen Produzenten vom Weltmarkt signifikant und dauerhaft verringert. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und das Land Nordrhein-Westfalen fördern den Aufbau dieser Forschungsfertigung mit einer Summe von bis zu 680 Millionen Euro.

Laserbasierte Trocknung 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.

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