IDEEL

 

PEM erforscht Laser-Trocknungsprozess für wirtschaftlichere Batterieproduktion

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Der Lehrstuhl „Production Engineering of E-Mobility Components“ (PEM) der RWTH Aachen ergründet mit zahlreichen Partnern aus der Forschung und der Idustrie im Verbundprojekt „IDEEL“ die Implementierung von Laser-Trocknungsprozessen für eine wirtschaftliche und ökologische Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien. Das Vorhaben wird im Rahmen des Programms „Batteriematerialien für zukünftige elektromobile, stationäre und weitere industrierelevante Anwendungen“ (Batterie 2020 Transfer) vom Bund gefördert. Dabei soll der bislang übliche Konvektionstrocknungsprozesses durch ein neuartiges Verfahren ersetzt werden.

Weniger Platz und Energieaufwand notwendig

Der entsprechende Lasertrocknungsprozess soll erhebliche Einsparungen bei den Energie- und Flächenkosten mit sich bringen. Darüber hinaus soll durch die Implementierung einer Inline-Sensorik eine kontinuierliche Kontrolle der Temperatur ermöglicht werden, was einen geringeren Ausschuss in der Produktion erlaubt. Im Bereich der Elektrodenfertigung werden die Kosten bislang maßgeblich durch den energieintensiven Produktionsschritt der Elektrodentrocknung bestimmt. Konventionell kommt dabei ein Konvektionsofen zum Einsatz. Durch die fehlende Gerichtetheit des Wärmeeintrags entstehen jedoch hohe Wärmeverluste. Darüber hinaus ist der Ofenprozess nur begrenzt lokal überwach- und regelbar, was zu Ausschuss durch nicht-erfassbare Inhomogenitäten im Trocknungsprozess führt. Das Projekt „IDEEL“ soll daher die Lasertrocknung vom Labormaßstab in die industriellen Größenordnung überführen.

Weniger CO₂, geringere Kosten, preiswertere Elektrofahrzeuge

Dafür sind ineinandergreifende Untersuchungen auf Material- und Prozessebene notwendig. Vor allem bei der Hochskalierung dieser neuartigen Prozesstechnologie muss das Materialverhalten bei schlagartigem und hocheffizientem Energieeintrag eingehend erforscht und die Materialkomposition entsprechend angepasst werden. Die angestrebte signifikante Reduktion im Flächen- und Energiebedarf des Trocknungsschritts bei gleichbleibender Qualität in der Elektrodenfertigung soll Investitions- und Betriebskosten sparen. Dadurch soll letztlich auch deutlich weniger CO₂ in der Batteriezellproduktion benötigt werden. Die entsprechenden Kostenersparnisse soll allen Endprodukten wie Elektroautos zugute kommen, wovon der Konsument profitiert.

Neue Möglichkeiten in der Energiesteuerung

Ersten Abschätzungen der Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB in Münster zufolge verursacht der Trocknungsschritt rund 29 Prozent der Fertigungskosten einer 21700er-Zelle. Durch die effizientere Energieeinbringung mittels Diodenlaserstrahlung ist es möglich, diese Kosten zu verringern, wodurch die Batteriezellfertigung im europäischen und globalen Wettbewerb attraktiver wird. Der modulare Aufbau und die zeitlich hochaufgelöste Regelbarkeit der Diodenlaserstrahlquelle soll neue Möglichkeiten in der Energiesteuerung beim Trocknungsschritt der Elektrodenfertigung eröffnen. Die Anpassung der bestrahlten Fläche und die Einstellung der Intensitätsfelder soll den Prozess dazu befähigen, flexibel auf die Herstellung unterschiedlicher Materialsysteme, Elektrodenformate, Schichtdicken und Durchsätze zu reagieren. Die schrittweise Skalierung der Prozesstechnologie vom „Proof of Concept“ bis zur Demonstration im Industriemaßstab soll durch eine Prozesssimulation begleitet werden, die Herausforderungen im Übergang schon in frühen Phasen begegnet.

 

Das Projekt

• „IDEEL“: Implementation of Laser Drying Processes for Economical & Ecological Lithium-Ion Battery Production

Forschungsziele

• Implementierung von Laser-Trocknungsprozessen für eine wirtschaftlichere Produktion von Lithium-Ionen-Batterien
• Implementierung einer Inline-Sensorik zur kontinuierlichen Temperaturkontrolle für einen geringeren Produktionsausschuss
• Prozesssimulation für die schrittweise Skalierung der Prozesstechnologie vom „Proof of Concept“ bis hin zur Demonstration im Industriemaßstab

Forschungs- und Projektpartner

PEM der RWTH Aachen
Münster Electrochemical Energy Technology (MEET) (WWU Münster)
Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT)
Laserline Gesellschaft für Entwicklung und Vertrieb von Diodenlasern mbH
COATEMA Coating Machinery GmbH
Optris GmbH

Laufzeit

• 01.10.2021 bis 30.09.2024

Projektträger

Projektträger Jülich (PtJ)

Förderkennzeichen

• 03XP0414D

Zuwendungsgeber

Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)