In der industriellen Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien war die Elektrodentrocknung bisher einer der kritischsten Teilprozesse. Der hohe Energie- und Zeitaufwand und der ganz erhebliche Platzbedarf machten die Trocknung der im Rolle-zu-Rolle-Verfahren (R2R) auf einer Stromableiterfolie aufgebrachten Aktivpaste (Slurry) zu einem der kosten- und CO2-intensivsten Fertigungsschritte der gesamten Batterieproduktion. Vor diesem Hintergrund wurde im Rahmen des Forschungsprojekts IDEEL (Implementation of Laser Drying Processes for Economical & Ecological Lithium Ion Battery Production), das am 31. Dezember 2024 nach dreijähriger Laufzeit abgeschlossen wurde, nach alternativen Trocknungsverfahren unter Nutzung hocheffizienter großflächiger Laserbestrahlung gesucht.
Das Projekt wurde im Rahmen des Förderprogramms Batterie 2020 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt und unter Leitung der Laserline GmbH durchgeführt. Weitere Projektpartner waren das Production Engineering of E-Mobility Components (PEM) der RWTH Aachen University, die Coatema Coating Machinery GmbH, die Optris GmbH, das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, das Münster Electrochemical Energy Technology (MEET) Batterieforschungszentrum der Universität Münster sowie die Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB.
Entwicklung und Optimierung der Lasertrocknung als Projektschwerpunkt
Schwerpunkt der IDEEL-Forschungskooperation war zunächst die Entwicklung und schrittweise Optimierung eines geeigneten Lasertrocknungsverfahrens. Hierzu wurden eigens für den Lasereinsatz neue Werkstoffe zur Anoden- und Kathodenbeschichtung konzipiert und unter anderem wässrige Rezepturen auf Graphit-, Lithium-Eisenphosphat- und Silizium-Graphit-Basis erfolgreich erprobt (PEM der RWTH Aachen University, MEET Batterieforschungszentrum der Universität Münster). Als Wärmequelle diente ein hocheffizientes Diodenlasersystem mit einem elektrischen Wirkungsgrad von mehr als 50 Prozent und einer neuen Bearbeitungsoptik mit koaxialer Thermographiekopplung und rechteckigem Laserspot von über 0,5 Metern Breite (Laserline). Für eine kontaktlose, automatische Prozessüberwachung und -steuerung wurde eine hochintegrative Thermographiekamera mit Industrie-PC-kompatibler Datenausgabe entwickelt, die auch bei wechselnden Bahngeschwindigkeiten und Beschichtungsdicken eine konstante Einhaltung der Zieltemperatur sicherstellt (Optris, Laserline, Fraunhofer ILT). Auf der Grundlage dieser Systemkomponenten entstand als Demonstrator eine modulare Lasertrocknungseinheit mit spezialisiertem Luftkonzept und maßgeschneiderten Doppelkammer-Breitschlitzdüsen zum schnellen und sicheren Auftrag der wasserbasierten Batteriepasten (Coatema). Innerhalb dieses Demonstrators wurde der laserbasierte R2R-Trocknungsprozess auf industrietypische Vorschub-geschwindigkeiten hochskaliert und zugleich die optimale Prozesskonfiguration eruiert und validiert (Fraunhofer ILT, FFB).
Hybridverfahren ermöglicht industrielle Skalierung
Da für den Trocknungsprozess neben der Erwärmung auch ein Massentransport durch Luftabfuhr benötigt wird, wurde als technisch und wirtschaftlich erfolgversprechendster Ansatz eine Hybridkonfiguration mit Heißluft- und Lasermodulen realisiert. In dieser R2R-Prozesskonfiguration wird die Lasertrocknung vorgeschaltet und für die schnelle Erwärmung und Vortrocknung des Slurrys genutzt, während der nachgelagerte Konvektionsofen die Temperaturhaltezeit verlängert und die Durchtrocknung der Aktivpaste finalisiert. Dieser Ansatz ermöglicht es, die Vorteile des neuen Verfahrens auch bei Bestandsanlagen zu nutzen, die dann nachträglich mit Lasermodulen aufgerüstet werden können. Die Erschließung technischer Optimierungspotenziale wird so mit einer nachhaltigen Nutzung von Investitionsgütern verknüpft. In diesem Sinne entwickelten die Projektbeteiligten ein innovatives hybrides Trocknungssystem, das erstmals eine Bahngeschwindigkeit von 30 Metern pro Minute realisiert und die Trocknungszeiten um mehr als 60 Prozent verkürzt. Durch den Laser-Booster zu Prozessbeginn wird zudem die erforderliche Ofenlänge halbiert, was wertvolle Prozessfläche spart und den Bedarf an energieintensiven Trockenräumen spürbar verringert. Die operativen Kosten des Trocknungsprozesses sinken so insgesamt um 20 bis 30 Prozent, durch den reduzierten Ofenbetrieb bei gleichzeitiger Anlagennutzung bis zum Ende der Lebensdauer wird überdies die CO2-Bilanz deutlich optimiert. Der neue Ansatz ermöglicht somit wirtschaftlichere und klimaschonendere Verfahren, was auch die ökonomische und ökologische Gesamtbilanz der Batterieproduktion signifikant verbessert.
Untersuchungen zeigen Gleichwertigkeit der Ergebnisse bei erhöhtem Durchsatz
Auch im Hinblick auf die Prozessergebnisse lässt das neue Hybridverfahren keine Nachteile erwarten. Experimentelle Untersuchungen des Fraunhofer ILT, des PEM der RWTH Aachen University, des MEET Batterieforschungszentrums und der Fraunhofer FFB zeigten, dass die Resultate der hybriden Trocknung den Ergebnissen der etablierten Konvektionstrocknung nicht nachstehen. Trotz erhöhter Durchsatzrate ist bei Adhäsion, Restfeuchte, elektrischer Leitfähigkeit und elektrochemischen Eigenschaften eine mindestens gleichwertige Ergebnisqualität sichergestellt. Die Industrierelevanz des neu entwickelten Verfahrens ist damit vollumfänglich nachgewiesen. Der im Rahmen des IDEEL-Projekts entwickelte Hybridprozess wird dementsprechend in die Arbeit der Fraunhofer FFB eingehen, die zum Entwicklungszentrum einer modernen Batteriezellproduktion für Deutschland und seine europäischen Partner ausgebaut werden soll.
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
