Laser-Trocknungstechnologie macht großen Fortschritt

IDEEL-Projekt zeigt Skalierbarkeit für effiziente Batteriezellproduktion

19th März 2025

Wirtschaftlichere und klimafreundlichere Trocknung von Anoden und Kathoden

Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Förderprogramms „Battery 2020“ unterstützte IDEEL-Forschungsprojekt, das sich auf die Entwicklung eines laserunterstützten Trocknungsprozesses konzentriert, wurde Ende Dezember 2024 nach einer dreijährigen Laufzeit abgeschlossen. Es kann den Elektroden-Trocknungsprozess, der für die Produktion von Lithium-Ionen-Batterien von entscheidender Bedeutung ist, deutlich effizienter gestalten.

Ein wichtiger Bestandteil dieses Forschungsprojekts und seines erfolgreichen Abschlusses ist die Optris GmbH & Co. KG sowie die vom Unternehmen entwickelten Infrarot-Wärmebildkameras der Xi-Serie, insbesondere die Xi 80.

Diese autonomen Infrarotkameras von Optris können eingesetzt werden, um sicherzustellen, dass die Zieltemperatur konstant gehalten wird. Darüber hinaus sind die Xi 80 Kameras äußerst effizient bei der Qualitätskontrolle der Elektroden auf der Trocknungslinie, deren Temperaturen und mögliche Materialfehler trotz der sehr hohen Prozessgeschwindigkeit stets zuverlässig erfasst werden.

Laser-Trocknungstechnologie macht großen Sprung: IDEEL-Projekt demonstriert Skalierbarkeit für effiziente Batteriezellproduktion

Berlin / Mülheim-Kärlich, 19. März 2025

In der industriellen Produktion von Lithium-Ionen-Batterien galt das Trocknen der Elektroden bislang als einer der kritischsten Teilprozesse. Der hohe Energie- und Zeitaufwand sowie der beträchtliche Platzbedarf machten das Trocknen der auf eine Stromableiterfolie aufgetragenen aktiven Paste (Slurry) im Rolle-zu-Rolle-Verfahren (R2R) zu einem der kosten- und CO₂-intensivsten Schritte der gesamten Batteriezellfertigung. Vor diesem Hintergrund erforschte das Forschungsprojekt IDEEL (Implementation of Laser Drying Processes for Economical & Ecological Lithium-Ion Battery Produktion), das am 31. Dezember 2024 nach dreijähriger Laufzeit erfolgreich abgeschlossen wurde, alternative Trocknungsprozesse auf Basis hocheffizienter Laser-Großflächenbestrahlung. Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Förderprogramms „Batterie 2020“ unterstützt und von der Laserline GmbH koordiniert. Weitere Projektpartner waren der Lehrstuhl für Produktion Engineering of E-Mobility Components (PEM) der RWTH Aachen University, die Coatema Coating Machinery GmbH, die Optris GmbH & Co. KG, das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT), das MEET Batterieforschungszentrum der Universität Münster sowie die Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB.

Entwicklung und Optimierung der Lasertrocknung als Projektschwerpunkt

Der ursprüngliche Schwerpunkt der IDEEL-Forschungskooperation lag auf der Entwicklung und schrittweisen Optimierung eines geeigneten Lasertrocknungsverfahrens. Zu diesem Zweck wurden Materialien für Anoden- und Kathodenbeschichtungen speziell für die Laseranwendung validiert, und wässrige Formulierungen auf Basis von Graphit, Lithium-Eisenphosphat und Silizium-Graphit erfolgreich getestet (PEM der RWTH Aachen University, MEET Batterieforschungszentrum der Universität Münster). Als Wärmequelle diente ein hocheffizientes Diodenlasersystem mit einem Wirkungsgrad von über 50 Prozent sowie ein neuer Bearbeitungskopf mit koaxialer thermografischer Kopplung und einem rechteckigen Laser-Spot mit über 0,5 Metern Breite (Laserline). Zur kontaktlosen, automatisierten Prozessüberwachung und -regelung wurde eine hochintegrierte Thermografiekamera mit Industrie-PC-kompatibler Datenausgabe entwickelt. Dieses System stellt sicher, dass die Zieltemperatur konstant eingehalten wird, selbst bei variierenden Bahngeschwindigkeiten und Schichtdicken (Optris, Laserline, Fraunhofer ILT). Auf Basis dieser Systemkomponenten wurde eine modulare Lasertrocknungseinheit als Demonstrator entwickelt, die ein spezialisiertes Luftmanagementkonzept und maßgeschneiderte Zweikammer-Breitdüsen für die schnelle und zuverlässige Applikation wasserbasierter Batteriepasten integriert (Coatema). Innerhalb dieses Demonstrators wurde der laserbasierte R2R-Trocknungsprozess auf industriell relevante Vorschubgeschwindigkeiten skaliert und gleichzeitig die optimale Prozesskonfiguration ermittelt und validiert (Fraunhofer ILT, Fraunhofer FFB).

Hybridverfahren ermöglicht industrielle Skalierung

Da beim Trocknungsprozess sowohl Wärmezufuhr als auch Massenstrom durch Luftabsaugung erforderlich sind, erwies sich die Hybridkonfiguration aus Heißluft- und Lasermodulen als der technisch und wirtschaftlich vielversprechendste Ansatz. In dieser Rolle-zu-Rolle-(R2R)-Prozesskonfiguration ermöglicht die Lasertrocknung eine schnelle Aufheizung und Vortrocknung der Slurry-Schicht, während ein nachgeschalteter Konvektionsofen die Temperaturhaltezeit verlängert und so eine vollständige Trocknung der Elektrodenbeschichtung sicherstellt. Dieses Verfahren erlaubt es zudem, bestehende Produktionsanlagen durch die Nachrüstung von Lasermodulen aufzuwerten – eine Kombination aus technologischer Optimierung und nachhaltiger Nutzung vorhandener Investitionsgüter. Im Rahmen des Projekts entwickelten die Partner ein innovatives Hybridsystem, das erstmals eine Bahngeschwindigkeit von 30 Metern pro Minute erreicht und die Trocknungszeiten um mehr als 60 % reduziert. Darüber hinaus halbiert der Laser-Booster am Anfang des Prozesses die erforderliche Ofenlänge, wodurch wertvoller Produktionsraum eingespart und der Energiebedarf für Trockenräume erheblich reduziert wird. Die Betriebskosten des Trocknungsprozesses sinken insgesamt um 20 bis 30 %. Gleichzeitig führt der reduzierte Ofenbetrieb in Kombination mit der weiteren Nutzung bestehender, nachgerüsteter Anlagen zu einer deutlichen Verbesserung der gesamten CO₂-Bilanz. Dieser neue Ansatz ermöglicht somit kosteneffizientere und umweltfreundlichere Prozesse, die die wirtschaftliche und ökologische Gesamtbilanz der Batteriezellproduktion nachhaltig verbessern.

Studien bestätigen gleichwertige Ergebnisse bei erhöhter Durchsatzrate

Experimentelle Untersuchungen des Fraunhofer ILT, des Lehrstuhls für Produktion Engineering of E-Mobility Components (PEM) der RWTH Aachen University, des MEET Batterieforschungszentrums sowie der Fraunhofer FFB zeigten, dass die Ergebnisse der Hybridtrocknung denjenigen der etablierten Konvektionstrocknung gleichwertig sind. Trotz erhöhter Durchsatzgeschwindigkeiten bleibt die Qualität der Elektrodenleistung mindestens gleichwertig – sowohl hinsichtlich Haftung, Restfeuchte, elektrischer Leitfähigkeit als auch der elektrochemischen Eigenschaften. Damit ist die industrielle Relevanz des neu entwickelten Verfahrens vollständig validiert. Die im IDEEL-Projekt gewonnenen Prozesserkenntnisse fließen künftig in die Arbeiten der Fraunhofer FFB ein, die sich zu einem Entwicklungszentrum für moderne Batteriezellproduktion in Deutschland und seinen europäischen Partnerländern etablieren wird.

Über Optris GmbH & Co. KG

Die Optris GmbH & Co. KG wurde im Jahr 2003 gegründet und hat sich seither als einer der führenden Hersteller berührungsloser Temperaturmessgeräte etabliert. Das Produktportfolio umfasst sowohl tragbare als auch stationäre Infrarot-Thermometer sowie Online-Infrarotkameras für thermografische Echtzeitanalysen. Optris entwickelt und produziert in Deutschland, um höchste Qualitätsstandards zu gewährleisten – ein zentraler Bestandteil der Unternehmensphilosophie.

Über Laserline

Die Laserline GmbH mit Hauptsitz in Mülheim-Kärlich bei Koblenz wurde 1997 gegründet. Das Unternehmen ist ein weltweit führender Hersteller in der Entwicklung und Produktion hocheffizienter, modularer Diodenlasersysteme im blauen und infraroten Wellenlängenbereich. Die Hochleistungs-Diodenlaser von Laserline erreichen Ausgangsleistungen von bis zu 60 kW und eine Wandsteckdosen-Effizienz (WPE) von über 50 Prozent. Auf Basis jahrzehntelanger Erfahrung entwickelt Laserline kundenspezifische Laserlösungen für industrielle Anwendungen – darunter hochpräzise Strahlformungsoptiken zur Realisierung variabler Spotgeometrien – und hat sich international als zuverlässiger Partner etabliert. Mehr als 7.500 Hochleistungs-Diodenlaser von Laserline sind derzeit weltweit im Einsatz und beweisen ihre Leistungsfähigkeit in den unterschiedlichsten Prozessen und Anwendungen. Der Lasertechnologie-Spezialist beschäftigt derzeit rund 400 Mitarbeitende und verfügt über internationale Tochtergesellschaften in den USA, Mexiko, Brasilien, Japan, China, Südkorea und Indien sowie über Vertretungen in Europa (Frankreich, Großbritannien, Italien) und im asiatisch-pazifischen Raum (Australien, Taiwan, Singapur). Weitere Informationen finden Sie auf der Website.

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Laser Drying Technology Takes Leap Forward: IDEEL Project Demonstrates Scalability for Efficient Battery Cell Produktion

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