Hochkapazitive und zugleich schnellladefähige Batteriezellen gelten als Widerspruch in sich. Dennoch erwarten die Anwenderindustrien Lithiumionenzellen mit hoher Energiedichte, die sich innerhalb kürzester Zeit aufladen lassen.
Die Energiedichte einer Zelle kann durch dickere und weniger poröse Elektroden gesteigert werden. Doch je dicker die Elektroden, umso länger brauchen die Lithiumionen, um aus der Kathode durch den Separator in die Anode – und wieder zurück – zu wandern. Eine Struktur in der Aktivmasse der Elektroden kann die Ionenwanderung beschleunigen. Diese Rillen bilden die sogenannten Ionen-Highways. Mit ihrer Hilfe können die Ionen schneller in die Tiefe der Elektroden vordringen. Sie verteilen sich daraufhin seitwärts in das Aktivmaterial hinein. Diese Idee ist nicht neu. Jedoch fehlte der industriellen Zellfertigung bislang die richtige Technologie, um die Elektroden ausreichend tief zu strukturieren und ihre Funktionsfähigkeit dabei vollständig zu erhalten.
Die Elektrodenstrukturierung verspricht, die Ladezeiten von Batteriezellen auf die Hälfte oder sogar auf ein Drittel zu verkürzen. „Kürzere Ladezeiten werden vor allem in der Automobilindustrie anvisiert“, sagt EAS-Geschäftsführer Michael Deutmeyer. „Doch auch überall dort, wo die batterieabhängige Nutzungsdauer einer Maschine kürzer als die Arbeitsschicht ihrer Bediener ist, sind schnelladefähige Zellen relevant. Dies gilt zum Beispiel im Bergbau oder bei der Lagerhaltung mit elektrischen NRMM, den nicht-straßengebundenen Maschinen und Geräten.“
Der aktuelle Lösungsansatz lautet „Laserstrukturierung“. Nachdem das Laserschweißen und das Laserschneiden mittlerweile fest in der Zellproduktion verankert sind, könnte sich die Laserstrukturierung in Zukunft als dritte Laseranwendung in der Fertigung großformatiger Rundzellen etablieren. „Ein moderner Laser sendet extrem kurze Pulse aus, sie dauern weniger als eine Mikrosekunde. Innerhalb dieser millionstel Sekunde bleibt der Wärmeeinfluss auf die Umgebung gering und der Materialabtrag durch den Laser erfolgt punktgenau“, sagt Michael Deutmeyer. „Die Lasertechnologie rückt die Elektrodenstrukturierung in den Bereich des Möglichen.“ Insbesondere für die Serienproduktion einer Gigafactory wäre sie interessant.
Dem Nutzen der Lasertechnologie zur Elektrodenstrukturierung stehen einige Herausforderungen entgegen. Das Aktivmaterial, das durch den Laser von der Elektrodenfolie abgetragen wird, verdampft. Der Einsatz der Lasertechnologie erfordert hier eine Lösung, die die kondensierten Dämpfe sowohl umwelt- als auch gesundheitsfreundlich auffängt und entsorgt. Zudem muss die Laserstrukturierung stets detailliert auf das Aktivmaterial – also auf jede Zellchemie neu – abgestimmt werden. Das treibt den Prozessaufwand in die Höhe. Dafür spart die Laserstrukturierung bereits bei der Herstellung der Zellen Zeit ein. Das Befüllen des Zellrohlings mit dem Elektrolyten, ein wesentlicher Prozess der Zellfertigung, profitiert von den strukturierten Elektroden, indem der Elektrolyt nicht in Gänze durch poröse Schichten vordringen muss, sondern die Ionen-Highways entlang fließen kann. Hierzu reichen die mit dem Laser ausgebildeten Rillen bis zu den Seiten der Elektroden.
In der Gesamtbetrachtung bietet die Laserstrukturierung die Chance, den Energieinhalt der Zellen zu erhöhen und zugleich ihre Ladegeschwindigkeit zu steigern. Zusätzlich könnte sich ihre Lebensdauer dadurch verlängern. „Die Performance der Lithiumionenzellen wird sich, wie auch die Lasertechnologie selbst, in den kommenden Jahren noch deutlich verbessern können“, sagt Michael Deutmeyer. „Wir erhoffen uns von der Laserstrukturierung, dass sie zudem die Kosten der energiedichten und schnelladefähigen Zellen reduziert.“