Dual-LIBS-Q-Batt - Zweiwellenlängen-Laser-Plasmaspektroskopie für Hochdurchsatzanalysen an Elektroden zur Qualitätsabsicherung in Beschichtungsprozessen und Auslegung von Zellarchitekturen für Batterien der nächsten Generation

Abstract

Im Projekt Dual-LIBS-Q-Batt wurde eine innovative Zweiwellenlängen-Laser-Plasmaspektroskopie (Dual-LIBS) für Hochdurchsatzanalysen an Batterieelektroden entwickelt und pilotiert. Das Ziel lag in der Verbesserung der Qualitätskontrolle und Prozessüberwachung bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien mittels schneller, präziser Analyse der chemischen und strukturellen Eigenschaften von Elektroden. Im Mittelpunkt standen die erfolgreiche Installation einer neuartigen Dual-LIBS-Anlage, die Konzeptentwicklung und Erprobung einer inline-Messtechnik für Rolle-zu-Rolle-(R2R)-Beschichtungsprozesse sowie die Untersuchung von Degradationsprozessen in alternden Batterie­zellen und die Erstellung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen für Elektrodenmaterialien. Die Dual-LIBS-Anlage bietet mit UV- und NIR-Lasern eine flexible und hochauflösende 3D-Elementabbildung von Elektroden inklusive der tiefenwirksamen Analyse von Aktivmaterialien, Bindern und Leitruß. Die inline-Diagnostik erwies sich als zuverlässig und reproduzierbar – auch unter dynamischen R2R-Bedingungen – und ermöglicht eine präzise Kontrolle der Binder- und Leitrußverteilung in Abhängigkeit von den Trocknungsparametern. Im Projekt konnte erstmalig eine Ablagerung von gelösten Übergangsmetallen auf der Anodenoberfläche nachgewiesen werden, was neue Erkenntnisse zu alterungs- und Degradationsmechanismen sowie zur Ausbildung der "Solid Electrolyte Interface" (SEI) erlaubt. Ein Konzept einer LIBS-Datenbank wurde aufgebaut und erprobt, was quantitative und qualitative Analysen ermöglicht sowie mit chemometrischen Methoden (PCA, PLS) die Prozesssicherheit nachhaltig unterstützt. Die multivariate Kalibrierung bewährte sich als robust insbesondere für die Bestimmung von Lithiumkonzentrationen in verschiedenen Elektrodenmaterialien. Die 3D-Elementanalysen und die inline-validierten LIBS-Messungen an industriellen Elektroden liefern Design­richtlinien für langlebige Hochenergie- und Hochleistungszellen und gestalten die Qualitätssicherung und das Material-Scre­ening deutlich effizienter. Die Projektergebnisse fließen direkt in die wissenschaftliche und anwendungsorientierte Batterieforschung sowie die Lehre am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ein und unterstützen die Weiterentwicklung und Skalierung hochentwickelter Batteriearchitekturen. Durch die Integration der Dual-LIBS-Technologie in die Fertigung werden Grundlagen geschaffen für innovative und nachhaltige Lösungen in der Batterietechnologie – von der Materialauswahl bis zur Prozessoptimierung und der Entwicklung optimierter Zellarchitekturen.