Partikelfreier Abtrag von Schichtsystemen für Feststoffbatterien mittels Ultrakurzpuls-Laserbearbeitung

Hördemann, Christian; Poprawe, Reinhart; Esen, Cemal

doi:37335

Partikelfreier Abtrag von Schichtsystemen für Feststoffbatterien mittels Ultrakurzpuls-Laserbearbeitung = Particle-free Ablation of Layer Systems for Solid-State Batteries by means of Ultrashort Pulsed Laser Processing

Hördemann, Christian^RWTH*

2018

VerantwortlichkeitsangabeChristian Hördemann

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2018

Umfang1 Online-Ressource (vi, 153 Seiten) : Illustrationen

ISBN978-3-86359-648-4

ReiheErgebnisse aus der Lasertechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University. - Weitere Reihe: Edition Wissenschaft Apprimus

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Poprawe, Reinhart (Thesis advisor)^RWTH* ; Esen, Cemal (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-06-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-226897
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/730493/files/730493.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/730493/files/730493.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Lasertechnik (418710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Lasertechnik, Laser, Solid State Batterie, Dünnschicht, Ablation, Laserabtrag, Abtrag (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Eine vielversprechende Batterietechnologie ist die der Dünnschicht-Feststoffbatterie, bei der einzelne Batterieschichten mittels Abscheideverfahren übereinander angeordnet werden. Derzeit sind Dünnschichtbatterien sehr kostenintensiv in ihrer Herstellung, da die Produktion mit den Fertigungsmethoden der Halbleiterindustrie betrieben wird. Bei der Aufbringung der Batterieschichten durch maskenbasiertes Sputtern oder Aufdampfen müssen große Bereiche zwischen den einzelnen Zellen freigehalten werden, welche nicht für die Batterieproduktion zu Verfügung stehen. Um die Produktion von Feststoffbatterien im Hinblick auf die Material- und damit Rohstoffeffizienz zu verbessern und zugleich einen wichtigen Schritt in Richtung der kontinuierlichen Produktion dieses Batterietypen zu machen, bietet sich die Rolle zu Rolle Produktion an. In Durchlauf-Sputteranlagen und Verdampfern kann ein Substratband kontinuierlich mit einem Schichtaufbau für Dünnschichtbatterien versehen werden, wonach Batteriezellen mit minimalem Verschnitt aus dem beschichteten Band herausgetrennt werden können. In dieser Arbeit wird ein Abtragsprozess mittels Ultrakurzpulslaser zur selektiven Ablation von Mehrschichtsystemen für die Produktion von Dünnschichtbatterien in inerter Atmosphäre entwickelt. Dabei wird insbesondere auf die mit dem Laserabtrag verbundene Problematik der Partikelentstehung und deren Entfernung eingegangen. Durch die Analyse der Partikelausbreitung sowie der Konzeption und Konstruktion eines Systems für die partikelfreie Bearbeitung von beschichteten Foliensubstraten können Rückschlüsse auf erreichbare Oberflächenreinheiten bei der Laserablation in einem durchströmten Spalt geschlossen werden. Bei der Laserablation innerhalb des Batterieschichtstapels ist feststellbar, dass erst die Verwendung von ultrakurzen Pulsen im Bereich von Femtosekunden den selektiven Abtrag des Mehrschichtsystems ermöglicht. Größere Pulsdauern führen zu ungewolltem Absprengen der Schichten. Die maximale Höhe der ausgeworfenen Partikel wird binnen der ersten 100 µs nach dem Auftreffen des Laserpulses erreicht. Eine weitere laterale Ausdehnung der Partikelwolke findet im Anschluss statt, wobei die Partikel aufgrund ihrer geringen Größe und Masse auch für Beobachtungszeiten im Bereich von bis zu 100 ms keine nennenswerte Abwärtsbewegung in Richtung der Schichtoberfläche vollziehen. Unmittelbar oberhalb des Substrats eignen sich sowohl laminare als auch turbulente Strömungen zur Partikelentfernung bei der Laserablation im durchströmten Spalt. In beiden Fällen lässt sich die Partikelbelastung der Oberfläche um bis zu 90 % verringern. Die sich somit ergebende Oberflächenreinheit ist im SCP-Klassifizierungsbereich oberhalb von SCP 5 bis 6 anzusiedeln.

One promising battery technology is the technology of solid-state thin-film batteries which are fabricated via subsequent evaporation deposition of thin battery layers. Currently, solid-state thin-film batteries are costly since their production is carried out with manufacturing methods that are typically used in the semiconductor industry. When depositing the battery layers one above the other, masks have to be used that leave out large areas between each battery cell. These areas cannot be used for further battery cell production. To improve the production of solid-state thin-film batteries in terms of its material- and resource efficiency as well as make an important step towards the continuous production of this battery-type, roll to roll manufacturing is beneficial. In continuous flow sputtering- and deposition equipment, battery layers can be applied to a foil substrate which can then be cut into single battery cells creating minimal waste. In this work, an ultrashort-pulsed laser ablation process for the selective removal of solid state multilayer systems in an inert gas atmosphere is developed. Special attention is paid to the generation of particles that arise from the laser ablation process and the removal of these. By an analysis of the particle propagation as well as the conception and construction of an apparatus for the particle-free processing of coated foils, conclusions can be drawn about the achievable surface cleanliness during laser ablation within a gas-flowed gap. For the laser ablation within the stack of battery layers it can be deducted, that a layer-selective removal of the multilayer system can only be achieved if ultrashort laser pulses in the femtosecond regime are used. Larger pulse durations lead to unwanted cracking of the material, resulting in a geometrically imprecise ablation. The maximum height of particles that are ejected during ablation is reached during the first 100 µs after the impact of the laser pulse. A further lateral expansion of the particle cloud takes place afterwards while even for observation periods of up to 100 ms no significant particle sedimentation can be observed. Above the substrate, both laminar as well as turbulent flows can be used for the removal of particles within a gas-flowed gap. In either case, the particle load of the surface is reduced up to 90 %. The resultant surface cleanliness can be classified above SCP 5 to 6 according to the SCP cleanliness levels.

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