Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl-Aufskalierung von PVD- und CVD-Methoden zur Abscheidung von CNT für Batterieanwendungen
In den letzten drei Jahren etablierte sich eine enge Zusammenarbeit mit dem US-amerikanischen Start-up Zeta Energy, welches die Entwicklung industrieller Prozesse zur Abscheidung von CNT (carbon nanotubes) für Batterieanwendungen zum Ziel hat.
Im Jahr 2019 trat die Firma Zeta Energy mit der Aufgabe an uns heran, sehr dünne Metall- und Metalloxid-Schichten auf dünnen Metallbändern abzuscheiden. Diese Schichten dienen als Katalysator für das Wachstum von CNT (carbon nanotubes, d. h. Kohlenstoffnanoröhrchen), welche im neuartigen Batteriekonzept des Kunden als Anode fungieren. Dabei sollten das Magnetronsputtern und die Elektronenstrahl-Verdampfung als Abscheidetechnologien vergleichend bewertet werden. Für die Verdampfung kam unsere Beschichtungsanlage für metallische Bänder und Platten MAXI und für die Sputterprozesse die Anlage ILA 900 zum Einsatz.
Im weiteren Projektverlauf sollte die von Zeta Energy im Labor entwickelte Niederdruck-CVD-Technologie zur Abscheidung von CNT mit der Pilotanlage MAXI aufskaliert werden. Hierfür wurde zunächst das Konzept für ein CVD-Modul, welches in die MAXI integriert werden kann, erarbeitet. In dieser Phase entwickelte sich eine enge, vertrauensvolle Zusammenarbeit mit dem Kunden. Wöchentliche virtuelle Beratungen und regelmäßige Diskussionen vor Ort am Fraunhofer FEP etablierten sich rasch. Das CVD-Modul wurde im Bereich Systeme konstruiert und gefertigt. Anfang 2022 konnte es in der MAXI montiert werden.
Anschließend erfolgte gemeinsam mit Experten von Zeta Energy die Inbetriebnahme des Moduls. Dabei wurden die bei Zeta Energy im Labor gefunden Parameter übertragen und sehr bald gelang die erfolgreiche Abscheidung der ersten CNT in der Anlage MAXI.
Es folgten systematische Untersuchungen des Einflusses der Prozessparameter auf das Wachstum der CNT. Auf diesem Weg gelang es, die Wachstumsprozesse der CNT immer besser zu verstehen und zu beherrschen. Entscheidend hierfür war auch das sehr engagierte Mitwirken der Abteilung Analytik des Fraunhofer FEP. Hochaufgelöste elektronenmikroskopische Aufnahmen bieten einen beeindruckenden Blick auf die aufgewachsenen CNT. Letztlich konnten ca. 80 µm lange, vertikal ausgerichtete CNT beidseitig auf einer 15 µm dicken Kupferfolie abgeschieden und im Querschnitt abgebildet werden.
Die Zusammenarbeit mit Zeta Energy soll fortgeführt werden. Im Fokus wird dabei der Übergang zur Rolle-zu-Rolle Beschichtung stehen mit dem Ziel, die Produktivität deutlich zu erhöhen. Wir freuen uns darauf, neue Herausforderungen in enger Zusammenarbeit zu bewältigen.