Batteriebau Parallelbearbeitung per Laser steigert Batterieperformance

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Das EU-Infrastrukturprojekt „NextGenBat“ hat zum Ziel, die Leistung von mobilen Energiespeichern mit neuen Materialien und laserbasierten Herstellungsverfahren zu steigern.

Um die Performance mobiler Batteriespeicher deutlich zu pushen, verfolgen die Projektbeteiligten die Parallelisierung von Laserbearbeitungsprozessen. Über eine Spezialoptik werden damit bis zu einigen Hundert Teilstrahlen des Lasers erzeugt, die dann gleichzeitig zur Bearbeitung genutzt werden können. Doch nur eine Handvoll Spezialfirmen wie Pulsar Photonics beherrsche diese Parallelisierung des Laserbearbeitung.

Am Anfang stand das Megaprojekt EFRE

Zwei Jahre lang wurde an sechs Instituten in Aachen, Jülich und Münster mit einem Etat von 10 Millionen Euro eine zukunftsweisende Infrastruktur für neue Produktionstechniken und Produktionskonzepte geschaffen. Es sollte die bereits in NRW vorhandene Forschungsinfrastruktur ausbauen, um optimale Bedingungen für regionale Unternehmen zur Erforschung und Entwicklung von Batterien der nächsten Generationen zu schaffen.

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Die Vorarbeiten des sogenannten EFRE-Projekts setzt die Pulsar Photonics aus Herzogenrath nun in die Tat um. Das 2013 gegründete Spin-off des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT, ist laut Financial Times eines der Top-1.000 erfolgreichsten Unternehmen Europas. Den Erfolg verdanke es seiner Kompetenz auf dem Gebiet der Lasermikrobearbeitung. Pulsar entwickelt Prozesse und anwendungsspezifische Optiksysteme und integriert diese für die Anwender in serienfertige, industriereife Anlagen. So könnten Laserquelle, Optik, Sensorik und Software in einem maßgeschneiderten Gesamtsystem kombiniert werden. In Eigenentwicklung entstehen optische Komponenten und Systeme zur Strahlformung und Multistrahlbearbeitung, mit denen sich das Bearbeitungstempo steigern lässt.

Mit neu entwickelter Optik zum Effizienzmaximum

In Sachen Batterietechnik entstand am ILT eine Rolle-zu-Rolle-Anlage, die Elektroden für Lithiumionenzellen trocknet und strukturiert, um so neue Eigenschaften zu erzeugen, wie etwa eine höhere Kapazität zur Steigerung der Schnellladefähigkeit. Sie wurde nicht im Labormaßstab, sondern gleich als industriell einsetzbare Anlage errichtet, um die Batterieproduktion unter realen Bedingungen zu erproben. Die dabei gesammelten Erkenntnisse helfen nun auch Pulsar Photonics.

Pulsar entwickelte eine neue Optik namens Multibeammultiscanner, bei der sich die Leistung des Lasersystems auf eine Vielzahl von Teilstrahlen aufteilen lässt. Das Verfahren hat sich besonders bei Ultrakurzpuls-Lasern (UKP-Laser) bewährt, deren Leistung sich bei Einzelstrahlprozessen unter anderem wegen der zu hohen thermischen Belastung vom Werkstück sonst nur begrenzt steigern lässt. Mit mehreren parallel arbeitenden Laserstrahlen ließe sich ein Szenario darstellen, bei dem jeder einzelne Teilstrahl an seinem Effizienzmaximum arbeite.

Wenn rotes und grünes Laserlicht kooperieren

Die Optik aus Herzogenrath teilt die gepulste Infrarotlaserstrahlung nun in 24 Teilstrahlen auf, die ein rund 300 Millimeter breites Band einer Batterieanode strukturieren. Anschließend kann das Optikmodul in einem zweiten Prozessschritt mit einem grünen Laser dazu genutzt werden, um mit einem Einzelstrahl die einzelnen Batteriezellen auszuschneiden, erklären die Experten. Die Anlage am ILT zeige dabei die Vielfalt an Möglichkeiten der laserbasierten Mikrostrukturierung für die Batterieproduktion auf.

Doch was wünschen sich potenzielle Anwender? Nun, sie wünschten sich zum einen einfach einstellbare Optiken mit wenig Kalibrieraufwand, die auf hohe Laserleistung optimiert sind und langzeitstabil in Produktionsumgebungen arbeiten. Zum anderen seien Scanner gefragt, die sich mit entsprechender Software- und Steuerungsunterstützung synchronisieren ließen, um die Bearbeitung von mehreren Scanfeldern untereinander zu koordinieren. Im oben genannten Fall wird das Ganze sogar mit der Bewegung eines Bandes synchronisiert, wie betont wird.

Viele Anfragen deckten sich außerdem mit den Entwicklungszielen des Projekts, was die Forschungsarbeiten am ILT beträfen: Strukturieren und Funktionalisieren von Oberflächen. Ähnliche Sonderlösungen mit UKP-Lasern hat Pulsar Photonics übrigens bereits in industriellen Projekten verwirklicht. Und die Schunk Group übernahm 2021 die Mehrheitsbeteiligung, um innerhalb der Gruppe das Know-how bei der Lasermikrobearbeitung mit UKP-Lasern für Synergieeffekte zu nutzen. Zum Beispiel bei der Produktion von Brennstoffzellen und Redox-Flowbatterien.

Noch in diesem Jahr soll es serienreif sein

Die Multistrahlbearbeitung per Laser birgt enorm viel Potenzial, um Produktionsschritte in Bezug auf Flexibilität, Digitalisierung und Kosteneffizienz zu optimieren. Die Anwendungsfelder lägen im gesamten Bereich der Lasermikrostrukturierung, der Parallelbearbeitung von mehreren Bauteilen oder der generellen Parallelisierung von Laserprozessen. Das Optikmodul der Rolle-zu-Rolle-Anlage diene außerdem als eine Art Optikbaukasten. Als nächstes steht damit die Weiterentwicklung der kombinierten Multistrahlbearbeitung für eine serienreife Anwendung in der Industrie an, wie es heißt. Dafür werden übrigens noch Partner und Anwendungen gesucht, um das Konzept zu adaptieren und im Dauerbetrieb einer Produktion zu validieren. Eine Vielzahl von Prozessen, so glauben die Forscher, könnten so in Zukunft wirtschaftlich skaliert werden.

Das Projekt „NextGenBat“ wurde vom Land NRW unter Einsatz von Mitteln aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung („ANBest-EFRE“) gefördert.

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