Fraunhofer ILT sieht im Laser ein Schlüsseltool für Feststoffakkus

Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyt kommen an ihre physikalische Grenzen, deshalb wird überall auf der Welt an Feststoffbatteriezellen gefeilt. Das Fraunhofer ILT teilt die Meinung, dass Batterien mit festem Elektrolyt hohe Potenziale haben: „Sie versprechen mehr Sicherheit, höhere Energiedichte und neue Freiheitsgrade im Zelldesign“, wie die Fraunhofer-Experten in einem Fachbeitrag schreiben. Doch von vielversprechenden Laborwerten bis zur industriellen Fertigung ist es ein weiter Weg – bei dem ihrer Meinung nach die Lasertechnik helfen könnte.

„Materialien wie Lithium-Metall und sulfidhaltige Elektrolyte erfordern neue Prozessstrategien, und die Fertigung verlangt Investitionen in spezialisierte Trocken- oder Inertgasumgebungen. Hier kann die Lasertechnik entscheidende Beiträge leisten etwa durch selektives Sintern von Festelektrolyten, gezielte Strukturierung von Grenzflächen und das berührungsfreie Trennen duktiler Metalle“, so das Fraunhofer ILT. Damit könnten sich Laser als Schlüsseltechnologie auf dem Weg von der Laborzelle zur industriellen Festkörperbatterie erweisen.

Drei Nadelöhre für die Industrialisierung

„Festkörperbatterien werden auf absehbare Zeit parallel zu konventionellen Lithium-Ionen-Zellen existieren und vor allem besonders anspruchsvolle Anwendungen bedienen in der Automobilindustrie etwa den Markt der Oberklassefahrzeuge“, äußert Physiker Stoyan Stoyanov aus der Gruppe Trennen vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT. Allerdings müssen dazu erst große Hürden bei der industriellen Umsetzung genommen werden. Besonders der Umgang mit Lithium-Metall-Anoden stellt hohe Anforderungen: Das Material sei in der Verarbeitung extrem empfindlich, so die Fachleute: „Es reagiert stark mit Sauerstoff und Feuchtigkeit, bildet leicht Passivschichten und kann sich bei mechanischer Belastung entzünden. Konventionelle Schneid- oder Walzverfahren stoßen hier schnell an ihre Grenzen.“

Auch Festelektrolyte sind nicht einfach zu händeln: Oxidkeramische Materialien wie Lithium-Lanthan-Zirkonat (LLZO) müssen bei rund 1200 °C gesintert werden. Dabei kommt es laut dem Fraunhofer ILT häufig zu Lithiumverlusten und Nebenphasen. Solche Verluste seien nicht nur ein technologisches, sondern auch ein wirtschaftliches Problem, da sie teure Rohstoffe unbrauchbar machen. Mit sogenannten Opferpulvern ließen sich diese Effekte zwar teilweise kompensieren, der Prozess bleibt laut den Wissenschaftlern aber komplex und empfindlich gegenüber kleinsten Schwankungen.

Als weiteres Nadelöhr bezeichnet das Fraunhofer ILT die Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Anode: „Hohe Übergangswiderstände mindern die Leistungsfähigkeit und erhöhen die Gefahr von Inhomogenitäten beim Lithium-Plating und -Stripping. Die Beherrschung dieser Grenzflächenchemie ist die Basis für stabile und langlebige Zellen“, erklärt Florian Ribbeck aus der Gruppe Hochtemperatur-Funktionalisierung am Fraunhofer ILT.

Und: Schon bei etablierten Lithium-Ionen-Linien sei die hohe Ausschussrate ein akutes Problem. „Bei Festkörperzellen verstärkt sich dieses Problem, da für die noch nicht standardisierten Materialien bislang keine geschlossenen Recyclingpfade existieren“, so Ribbeck. „Jeder defekte Prototyp bedeutet daher nicht nur ökonomischen Schaden, sondern auch den Verlust von wertvollen Rohstoffen. Laserbasierte Verfahren können hier dazu beitragen, die Prozessstabilität zu erhöhen und Ausschuss von vornherein zu vermeiden.“

Fokus auf oxidkeramische Festelektrolyte

Ein vielversprechender Forschungsansatz am Fraunhofer ILT ist die Verarbeitung oxidkeramischer Festelektrolyte wie besagtes LLZO. Dieses Material weist gegenüber Lithium-Metall-Anoden eine hohe elektrochemische Stabilität auf und ist im Vergleich zu sulfidhaltigen Elektrolyten weniger reaktiv gegenüber Umgebungsbedingungen. „Am Fraunhofer ILT untersuchen wir, wie sich Laserstrahlung als lokal begrenzte und hochdynamische Energiequelle nutzen lässt, um LLZO-Schichten gezielt zu verdichten“, fährt Ribbeck fort. „Der Vorteil liegt in der schnellen Aufheizung bei gleichzeitig kontrollierter Abkühlung. So lassen sich Lithiumverluste reduzieren und Temperaturinkompatibilitäten innerhalb des Zellverbunds vermeiden.“

Erste Experimente sollen homogene Verdichtungen zeigen, auch wenn Rissbildung und Delaminationen weiterhin ein zentrales Forschungsthema bleiben. Neben LLZO werden zudem NASICON-artige Elektrolyte wie Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat (LATP) untersucht, die ähnliche Prozessanforderungen, aber andere Stabilitätsfenster aufweisen.

Laserstruktur zur Verbesserung der Grenzfläche

Tim Rörig aus der Gruppe Oberflächenstrukturierung am Fraunhofer ILT untersucht zusammen mit Florian Ribbeck zudem, wie sich die Grenzfläche zur Lithium-Metall-Anode durch gezielte Laserstrukturierung optimieren lässt. Mit „ultrakurzen Laserpulsen im Femtosekundenbereich“ bringen sie Mikrostrukturen in die Oberfläche des Festelektrolyten ein. Diese Strukturen sollen die effektive Kontaktfläche erhöhen und eine gleichmäßigere Verteilung des Stroms begünstigen, wodurch sich die Grenzflächenimpedanz potenziell reduzieren lässt. „Wir haben gezeigt, dass sich reproduzierbare Strukturen im Bereich von rund 30 µm erzeugen lassen“, so Rörig.

Die bisherigen Ergebnisse verdeutlichen den Forschern zufolge jedoch auch die Komplexität der Wechselwirkung. „Während die strukturierten Oberflächen in einzelnen Fällen eine verbesserte Benetzung zeigten, stieg der Gesamtwiderstand der Zelle mitunter an.“ Das Team vermutet, dass dabei sowohl Veränderungen der Kristallstruktur als auch prozessbedingte Defekte eine Rolle spielen. Per Raman-Spektroskopie und weiteren analytischen Verfahren charakterisieren die Projektbeteiligten derzeit die strukturellen Veränderungen im Kristallgitter nach der Laserbearbeitung. Parallel untersuchen sie das gezielte Li-Plating, um die Kontaktierung besser zu steuern, sowie Konzepte sogenannter „anodenloser Batterien“, bei denen das Lithium erst beim ersten Ladeprozess abgeschieden wird.

Laser schneidet Lithium-Metallfolien

Ein weiterer Schwerpunkt am Fraunhofer ILT liegt auf der Trennung von Lithium-Metallfolien für den Einsatz als Anodenmaterial: „Lithium-Metall gilt als zentrale Komponente für die nächste Generation von Hochenergiezellen, stellt die Fertigungstechnik jedoch vor erhebliche Herausforderungen“, erläutert Stoyan Stoyanov. „Das Material ist weich, hochadhäsiv und extrem reaktiv. Konventionelle mechanische Verfahren wie Rollmesser oder Stanzen führen schnell zu Verschmierungen, Verkleben der Werkzeuge und inhomogenen Schnittkanten.“ Darüber hinaus seien mechanisch nur lineare Schnittgeometrien realisierbar, was die Flexibilität im Zelllayout stark einschränkt. Die Lasertechnik eröffne hier neue Möglichkeiten. Als kontaktloses und verschleißfreies Verfahren ermögliche sie präzise Schnitte und erlaubt flexible Konturen.

Doch: Sowohl mechanische als auch laserbasierte Prozesse erfordern eine Verarbeitung ausschließlich in abgeschlossenen Inertgas- oder Trockenraumatmosphären.

Aufgabe bleibt komplex

„Argon eignet sich besonders gut, weil es die Oxidation verhindert und dadurch gleichmäßige Kanten ermöglicht, ist aber kostspielig“, erklärt Stoyanov. „Stickstoff ist zwar deutlich günstiger, führt aber zur Bildung von Lithium-Nitriden. Atmosphären mit Wassergehalt begünstigen dagegen Oxide und Hydroxide.“ Solche Reaktionsprodukte erhöhen den Energiebedarf des Prozesses und können zugleich die elektrochemischen Eigenschaften der Elektrode verschlechtern.

Es laufen zwar bereits Studien, die auf kostengünstigere Prozessumgebungen abzielen und dabei den Ablauf der Wechselwirkungen an der Lithiumoberfläche besser kontrollieren sollen. „Diese Ansätze stehen jedoch noch ganz am Anfang. In unserem eigenen Labordemonstrator setzen wir deshalb auf eine reine Argon-Atmosphäre mit einem Taupunkt unter –70 °C. Andere Gasumgebungen lassen sich prinzipiell aber ebenfalls realisieren.“ Parallel arbeiten die Forscher an Konzepten zur Integration der Laserprozesse in skalierbare Produktionsumgebungen, etwa mithilfe kompakter Mini-Environments, die gezielt mit Inertgas gespült werden können.

„Laserprozesse gewinnen weiter an Bedeutung“

Bei der Überführung von Festkörperbatterien aus dem Labor in die industrielle Fertigung bietet aus Sicht der Fraunhofer-Experten die aktuelle Produktion von Lithium-Ionen-Zellen eine wertvolle Referenz: „Viele Prozessschritte von der Elektrodenfertigung über die Zellassemblierung bis hin zur Endbearbeitung sind prinzipiell vergleichbar, wenngleich die Anforderungen bei Festkörperzellen deutlich höher ausfallen.“ Lasertechnologien seien in der Lithium-Ionen-Fertigung bereits etabliert. Sie kommen etwa beim Laserslitting zum Einsatz, also dem präzisen Längsteilen von Elektrodenfolien, beim Lasertrocknen, um Lösungsmittel schnell und energieeffizient zu entfernen, oder beim Lasernotching, dem Ausklinken der Stromableiter.

„Laserprozesse gewinnen weiter an Bedeutung“, ist Stoyanov überzeugt. „Ihre berührungsfreie, selektive Energieeinbringung ermöglicht eine hochpräzise Bearbeitung, die sich in geschützte Umgebungen wie Trockenräume oder Mini-Environments integrieren lässt. Damit wird der Laser zu einem Werkzeug, mit dem sich sowohl die Materialanforderungen erfüllen als auch die strengen Umgebungsbedingungen berücksichtigen lassen.“

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT will seine Kompetenzen deshalb entlang der gesamten Wertschöpfungskette der Festkörperbatterie bündeln. Im Fokus stehen „laserbasierte Fertigungsschritte, die sowohl für die Materialentwicklung als auch für die spätere Industrialisierung entscheidend sind“. Dazu gehören zusammengefasst das Lasersintern von Festelektrolyten, die Laserstrukturierung zur Optimierung von Grenzflächen, das Lasertrennen von Lithium-Metallfolien sowie Verfahren zur Kontaktierung und Integration in den Zellverbund.

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