Laserverfahren für Batterie- und Wasserstoffanwendungen

Für die Einführung von wettbewerbsfähigen Energiespeichern in den Massenmarkt müssen die Produktionskosten für Batteriezellen signifi kant reduziert werden. Ein Kostentreiber ist dabei der energieintensive Fertigungsprozess. Die Substitution konventioneller Ofenprozesse durch innovative Laserverfahren stellt einen vielversprechenden Ansatz dar. Bei der Trocknung von Batterieelektroden eröffnet der Einsatz eines Laserverfahrens aufgrund des effizienten Energieeintrags im Vergleich zur konventionellen Trocknung im Durchlaufofen ein großes Energieeinsparpotential. Darüber hinaus wird aufgrund der kompakten Bauweise des Lasers eine erhebliche Reduzierung des notwendigen Bauraums erzielt. Die laserbasierte Trocknung lässt sich in bestehende Rolle-zu-Rolle-Anlagen (R2R) integrieren.

Die Elektromobilität gilt als ein klimafreundliches und zukunftsfähiges Mobilitätskonzept. Anforderungen an entsprechende Batteriesysteme sind beispielsweise große Energiedichten um damit große Reichweiten bei hohen Sicherheitsstandards zu erreichen. Im Vergleich zu konventionellen Lithium-Ionen-Batterien (LIB) haben keramische Festkörperbatterien eine höhere theoretische Energiedichte und enthalten keine flüssigen Elektrolyte. Somit haben sie ein hohes Potenzial für die zukünftige Elektromobilität. Mögliche keramische Materialien sind beispielsweise Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) als Kathodenmaterial und Lithium-Lanthan- Zirkonat (LLZ) als Elektrolytmaterial. Dünnschichtbatteriezellen basierend auf diesen Materialien können aufgrund von langen Wechselwirkungszeiten und resultierenden Diffusionseffekten sowie Temperaturinkompatibilitäten der Materialien nicht ausreichend im Ofen gesintert werden. Aus diesem Grund werden laserbasierte Verfahren für die Sinterung partikulärer, keramischer Dünnschichten im μm-Bereich aus LCO und LLZ entwickelt. Im Gegensatz zu ofenprozessierten Schichten kann so eine hohe Kristallinität der Grundmaterialien bei Reduzierung unerwünschter Nebenphasen in einer Batteriezelle erzielt werden.

Ein primärer Kostentreiber bei der Produktion von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren sind die Bipolarplatten. Diese bestehen in der metallischen Variante aus zwei umgeformten und verschweißten Metallblechen. Im Vergleich zu Bipolarplatten aus graphit-gefüllten thermoplastischen Compoundmaterialien können diese kostengünstiger produziert werden. Aufgrund des metallischen Grundmaterials sind sie allerdings anfällig für Korrosion. Daher müssen sie mit einer korrosionsbeständigen und elektrisch leitfähigen Schutzschicht versehen werden. Diese wird konventionell mittels Vakuumverfahren abgeschieden. Ein alternatives Verfahren ist die nasschemische Abscheidung eines Präkursorenmaterials und die anschließende thermische Funktionalisierung mittels Laserstrahlung. Dieser Ansatz verspricht im Vergleich zum konventionellen Verfahren eine bessere Inlinefähigkeit und Skalierbarkeit und so die Erzielung kürzerer Taktzeiten.

Für eine erfolgreiche Energiewende werden effiziente- und kostengünstige Power-to- Power-Technologien benötigt, um Strom-spitzen und -flauten durch die fluktuierenden erneuerbaren Energien auszugleichen. Eine geeignete Technologie hierfür sind Hochtem-peratur-Brennstoffzellen bzw. Elektrolyseure, da diese im Vergleich zu anderen Zelltypen den höchsten theoretischen Wirkungsgrad auf-weisen. Der Einsatz eines protonenleitenden Elektrolyten und eines metallischen Trägers sind ein vielversprechender Ansatz um noch bestehende Restriktionen dieser Technologie wie eine unzureichende Zyklenfestigkeit und hohe Betriebstemperaturen zu überwinden.

Durch den Einsatz von Laserstrahlung zur  Kristallisation der Elektroden und des Elek-trolyts können die Prozesszeiten signifikant verkürzt werden. So werden unerwünschte Reaktionen mit dem metallischen Träger  vermieden und eine kostengünstige und  zeitsparende Produktion ermöglicht.