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Laser und Elektromobilität Schonender Laserabtrag hilft Batteriedesignern weiter

| Redakteur: Peter Königsreuther

Die Stunde des Ultrakurzpulslasers schlägt immer dann, wenn sehr empfindliches Material schnell und schonend zu bearbeiten ist – wie bei dünnster Kupferfolie für die Batterieherstellung.

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Sehr dünne Kupferfolie kann per Ultrakurzpulslaser oberflächlich so bearbeitet werden, dass die behandelte Fläche für die elektrische Kontaktierung taugt. Das hilft bei der Batterieherstellung in E-mobilen Zeiten.
Sehr dünne Kupferfolie kann per Ultrakurzpulslaser oberflächlich so bearbeitet werden, dass die behandelte Fläche für die elektrische Kontaktierung taugt. Das hilft bei der Batterieherstellung in E-mobilen Zeiten.
(Bild: Fraunhofer ILT)

Denn die Aachener Forscher am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT entwickelten derzeit eine Methode, um das Anodenmaterial von Lithium-Ionen-Akkus mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung schnell, zuverlässig und materialschonend abzutragen. Dieser Abtragprozess (Ablation) legt die elektrischen Kontaktstellen, die sogenannten Tabs, sauber frei, ohne zuviel Material zu entfernen, heißt es.

Aktivmaterial-Applikation ist wichtig, aber auch lästig

Das Ganze können auch für die Herstellung von Tablets und Smartphones nützlich sein, bei denen ja auch Lithium-Ionen-Akkus die Energie liefern. Das kann ein Durchbruch werden, denn die Akkuhersteller sehen sich mit immer mehr Akkutypen konfrontiert, die immer flotter die „Fließbänder“ verlassen sollen. Hochproduktive, präzise Fertigungsmethoden können diesen Knoten lösen, so die Aachener.

Ein in diesem Zusammenhang sehr wichtiger Prozessschritt ist die Beschichtung der metallenen Trägerfolie mit dem sogenannten Aktivmaterial, ein hauchdünner Layer, der pastös auf die mikrometerdünne Kupfer- oder Aluminiumfolie appliziert wird. Doch diese Schicht stört die elektrische Kontaktierung. Gewisse Sektoren auf der Folie müssen deshalb frei von Aktivmaterial bleiben, betonen die Experten. Normalerweise muss der Beschichtungsprozess dafür immer wieder unterbrochen werden.

Die Laserablation kam der Akkuproduktion erst nicht hinterher

Weil durch die steigende Nachfrage nach unterschiedlichsten Arten von Akkus, die Massenfertigung immer schwerer wird, braucht es zudem einen flexiblen Prozess, der dennoch produktiv genug arbeitet. Die ILT-Forscher sind deshalb der Meinung, dass es besser und wirtschaftlicher ist, erst die ganze Folie zu beschichten, um danach die zu kontaktierenden Sektionen per UKP-Laser freizulegen.

„Die Bänder der Produktionsanlagen laufen in der Regel mit etwa 60 m/min, merkt Dr. Karsten Lange, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe Mikro- und Nanostrukturierung am Fraunhofer ILT an. Er führt weiter aus: „Die Idee, mit dem Laser diese Flächen freizulegen, scheiterte bisher an der Produktivität des Ablationsprozesses. Auch die Qualität der Laserablation entsprach nicht den hohen Ansprüchen an eine gut schweißbare Kontaktstelle.“

Anodenmaterial mit über 1750 mm³/min schonend abtragbar

Darüber hinaus sind die Trägerfolien in der Regel nur 6 bis maximal 15 µm „dick“. Dementsprechend brauche es eines Laserprozesses, der hochproduktiv und rückstandsfrei die Kontaktstellen freilegen könne – ohne dabei die hauchdünnen Folien zu beschädigen. Das ILT setzt deshalb auf den Einsatz eines leistungsfähigen UKP-Lasers. „Die Herausforderung besteht darin, die gesamte Schicht des Aktivmaterials mit einer Überfahrt rückstandsfrei zu entfernen, ohne dabei die dünne Metallfolie zu schädigen“, erläutert Lange. „Mit dem von uns entwickelten Prozess gelingt es, graphitbasiertes Anodenmaterial mit bis zu 1760 mm³/min von einer 10-µm-Kupferfolie schonend abzutragen“, betont Lange. Bald werde es möglich sein, die Abtragraten durch den Einsatz der neuen Generation von UKP-Lasersystemen mit Multi-kW-Ausgangsleistung, wie sie derzeit im „Cluster of Excellence Advanced Photon Sources“ CAPS von Fraunhofer entwickelt werden, noch weiter zu steigern.

Wer jetzt einsteigt, verpasst den Zug nicht mehr...

Die Laserablation hat sich also unter Laborbedingungen bewährt! Nun hofft das Fraunhofer ILT auf die Weiterentwicklung zum serienreifen Verfahren. „Dehalb haben wir kürzlich ein Hochleistungs-UKP-Lasersystem installiert, das in ein Rolle-zu-Rolle-System integriert ist und uns die Möglichkeit gibt, die Laserablation in einem kontinuierlichen Prozess zu untersuchen“, informiert Lange. Jetzt sucht man Partner, um die Laserablation mit UKP-Laser in einem Industrie- oder Forschungsprojekt weiterzuentwickeln.

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