Partikelfreier Abtrag von Schichtsystemen für Feststoffbatterien mittels Ultrakurzpuls-Laserbearbeitung

Aachen / Apprimus Verlag (2018) [Buch, Doktorarbeit]

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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.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Hördemann, Christian

Gutachterinnen und Gutachter

Poprawe, Reinhart
Esen, Cemal

Identifikationsnummern

  • ISBN: 978-3-86359-648-4
  • REPORT NUMBER: RWTH-2018-226897