Festkörperbatterien stehen im Mittelpunkt des Interesses als nächste Entwicklungsstufe in der Energietechnologie. Sie versprechen nicht nur eine erhöhte Sicherheit, sondern auch eine höhere Energiedichte und mehr Flexibilität im Zellendesign. Der Übergang von der Laborumgebung zur industriellen Produktion stellt jedoch eine erhebliche Herausforderung dar. Laserprozesse könnten hierbei als Schlüsseltechnologie fungieren, die entscheidende Hürden überwinden und den Weg für die Massenproduktion ebnen.
Aktuell sind Lithium-Ionen-Batterien der Standard in der Speicherung elektrischer Energie. Diese Systeme finden sich in einer Vielzahl von Anwendungen, von tragbaren Geräten über Elektroautos bis hin zu stationären Energiespeichern. Trotz ihrer weiten Verbreitung stoßen sie jedoch an physikalische Grenzen. Die Energiedichte wächst nur noch langsam, und Sicherheitsbedenken im Zusammenhang mit flüssigen Elektrolyten sowie die Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen wie Nickel, Mangan und Kobalt verhindern eine umfassende Lösung.
Festkörperbatterien bieten eine vielversprechende Alternative. Sie nutzen Lithium-Metall-Anoden und feste Elektrolyte, was zu höheren Energiedichten und einem breiteren Temperaturbereich führt. Diese Technologie hat das Potenzial, die Probleme der aktuellen Lithium-Ionen-Batterien zu lösen. Es ist jedoch klar, dass die Entwicklung und Implementierung neuer Materialien wie Lithium-Metall und sulfidhaltigen Elektrolyten neue Fertigungsstrategien erfordert. Hier kommt die Lasertechnologie ins Spiel. Durch Verfahren wie selektives Lasersintern, gezielte Oberflächenstrukturierung und berührungsfreies Schneiden von Metallen können essentielle Fortschritte erzielt werden.
Die industrielle Umsetzung der Festkörperbatterien ist bereits in vollem Gange. Unternehmen wie Toyota, BYD, Samsung SDI und europäische Automobilhersteller testen aktiv neue Konzepte und planen Pilotproduktionen ab 2027. Diese Entwicklungen zeigen, dass die Technologie aus dem Labor in die industrielle Fertigung übergeht. Der Physiker Stoyan Stoyanov vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) betont die intrinsische Sicherheit von Festkörperbatterien, da sie auf flüssige Elektrolyte verzichten und somit Risiken wie Leckagen und Brände minimieren. Dies ist besonders wichtig in Anwendungen, in denen Sicherheit und hohe Leistung gefordert sind, wie in der Luft- und Raumfahrt, im Motorsport oder in der Medizintechnik.
Dennoch gibt es erhebliche Herausforderungen in der Fertigung. Lithium-Metall-Anoden sind zwar attraktiv aufgrund ihrer hohen Kapazität, aber sie sind auch sehr reaktionsfreudig und erfordern eine präzise Handhabung. Die herkömmlichen Bearbeitungsverfahren stoßen aufgrund der Empfindlichkeit des Materials schnell an ihre Grenzen. Auch bei den festen Elektrolyten sind Schwierigkeiten zu erwarten, insbesondere bei der Verarbeitung oxidkeramischer Materialien, die hohe Temperaturen benötigen. Dies kann zu Materialverlusten führen und die Kosten der Produktion erhöhen.
Lasertechnologien bieten hier innovative Lösungen. Am Fraunhofer ILT wird erforscht, wie Laserstrahlung genutzt werden kann, um Materialien wie Lithium-Lanthan-Zirkonat (LLZO) gezielt zu verdichten und damit die Effizienz zu steigern. Die Steuerung der Laserenergie ermöglicht eine präzise Bearbeitung, die sowohl die Materialintegrität als auch die Prozessstabilität verbessert. Ein weiterer Fokus liegt auf der Optimierung der Grenzflächen zwischen Elektrolyt und Anode. Durch gezielte Laserstrukturierung können Mikrostrukturen erzeugt werden, die die Kontaktfläche vergrößern und die Verteilung des Stroms verbessern.
Zusätzlich untersucht das ILT die Trennung von Lithium-Metallfolien mithilfe von Lasertechnologie. Diese Verfahren könnten die Flexibilität im Zellendesign erhöhen und die Produktionskosten senken. Laser bieten den Vorteil, dass sie kontaktlos arbeiten und präzise Schnitte ermöglichen, während sie gleichzeitig die Herausforderungen der reaktiven Materialien adressieren. Um die Qualität der Schnittkanten zu gewährleisten, werden neue Prozessstrategien entwickelt, um unerwünschte Partikel und Spritzer zu vermeiden.
Für die erfolgreiche industrielle Umsetzung von Festkörperbatterien ist es entscheidend, dass die in Laboren entwickelten Prozesse in eine skalierbare und wirtschaftliche Produktion überführt werden. Hierbei können die Erfahrungen aus der aktuellen Lithium-Ionen-Batterieproduktion wertvolle Hinweise liefern. Viele der erforderlichen Schritte sind ähnlich, jedoch sind die Anforderungen an Präzision und Reinheit bei Festkörperbatterien deutlich höher.
Das Fraunhofer ILT spielt eine zentrale Rolle bei der Entwicklung und Implementierung dieser Technologien. Es bündelt seine Expertise in der laserbasierten Fertigung von Fest
