Qualitätssicheres Laserschneiden in der Lithium-Ionen-Batterieproduktion

Pouch-Zellen für Lithium-Ionen-Batterien erfordern aufgrund ihrer Konstitution eine Konfektionierung der kontinuierlichen Anoden- und Kathodenelektroden, um ein alternierendes Stapeln der Elektroden durch das z-Falten zu ermöglichen.
Das Laserschneiden als Konfektionierungstechnologie ermöglicht durch die kontaktlose Materialbearbeitung ein quasi verschleißfreies Trennen der gesamten Elektrodenkontur bei gleichzeitig hoher Reproduzierbarkeit und geringer Taktzeit. Trotz dieser prozessimmanenten Vorteile gegenüber dem mechanischen Prozess Feinschneiden wird der Laser in aktuellen Produktionslinien zur Herstellung von Automotive-Zellen nicht für den gesamten Konturausschnitt verwendet, sondern lediglich zum Ausschneiden der Kontur des Ableiters. Dies ist dem Umstand geschuldet, dass durch das Laserschneiden des beschichteten Teils der Elektrode die Beschichtung der Elektrode thermische Schädigungen erfahren kann und zusätzlich die Oberfläche durch Abtragsprodukte kontaminiert werden kann.
Untersuchungen zum Einfluss dieser lasertypischen und der beim Feinstanzen entstehenden Schnittkantenmerkmale auf die elektrochemische Performance sind neben den Untersuchungen zur Prozess-Material-Wechselwirkung die Forschungsaufgabe dieser Arbeit. Durch die gewonnenen Erkenntnisse ist es möglich, den Laserschneidprozess für den gesamten Konturausschnitt zu zertifizieren.

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Pouch-Zellen für Lithium-Ionen-Batterien erfordern aufgrund ihrer Konstitution eine Konfektionierung der kontinuierlichen Anoden- und Kathodenelektroden, um ein alternierendes Stapeln der Elektroden durch das z-Falten zu ermöglichen.

Das Laserschneiden als Konfektionierungstechnologie ermöglicht durch die kontaktlose Materialbearbeitung ein quasi verschleißfreies Trennen der gesamten Elektrodenkontur bei gleichzeitig hoher Reproduzierbarkeit und geringer Taktzeit. Trotz dieser prozessimmanenten Vorteile gegenüber dem mechanischen Prozess Feinschneiden wird der Laser in aktuellen Produktionslinien zur Herstellung von Automotive-Zellen nicht für den gesamten Konturausschnitt verwendet, sondern lediglich zum Ausschneiden der Kontur des Ableiters. Dies ist dem Umstand geschuldet, dass durch das Laserschneiden des beschichteten Teils der Elektrode die Beschichtung der Elektrode thermische Schädigungen erfahren kann und zusätzlich die Oberfläche durch Abtragsprodukte kontaminiert werden kann.

Untersuchungen zum Einfluss dieser lasertypischen und der beim Feinstanzen entstehenden Schnittkantenmerkmale auf die elektrochemische Performance sind neben den Untersuchungen zur Prozess-Material-Wechselwirkung die Forschungsaufgabe dieser Arbeit. Durch die gewonnenen Erkenntnisse ist es möglich, den Laserschneidprozess für den gesamten Konturausschnitt zu zertifizieren.

Hierzu werden reproduzierbare Messmethoden entwickelt, mittels derer die auftretenden Schnittkantenmerkmale und Kontaminationen auf der Elektrodenoberfläche identifiziert und deren Ausprägung eindeutig bestimmt werden können. Durch eine gezielte Variation der Prozessparameter werden beim ns-gepulsten Laserschneiden die Zusammenhänge zwischen Prozess und Material eruiert und ein entsprechendes Abtragsmodell wird entwickelt. Die Analyse der Skalierbarkeit geschieht anhand eines Dauerstrich-betriebenen Single-Mode-Faserlasers im Multi-Kilowatt-Bereich. Aufbauend auf die gesammelten Erkenntnisse werden photonisch und mechanisch geschnittene Elektroden zu Zellen verbaut und hinsichtlich ihrer elektrochemischen Stabilität verglichen. Weiterführend werden Zellen bewusst mit lasergenerierten Abtragsprodukten kontaminiert und der Einfluss auf die elektrochemische Stabilität analysiert und bewertet.

Abschließend wird ein Prozesssicherungskonzept zur Überwachung des Laserschneidprozesses und eins zur Identifikation kritischer Kontaminationen auf der Elektrodenoberfläche vorgestellt.