Výrazná úspora energie! Nemecko vyvíja nové laserové riešenie pre výrobu batérií

Nedávno skupina výskumníkov z Fraunhoferovho inštitútu pre laserové technológie (Fraunhofer ILT) v Aachene v Nemecku vyvinula dve výrobné technológie založené na laseri, ktoré umožňujú nielen výrazné úspory energie pri výrobe, ale umožňujú aj výrobu s vyššou hustotou výkonu, batérie s dlhšou životnosťou.
Dnes sa vysokovýkonné batérie stali kľúčovým predpokladom pre elektrifikáciu dopravného sektora. Výskumníci vo vyššie uvedenom tíme vyvinuli inovatívnu laserovú technológiu na výrobu lítium-iónových batérií – ktoré sa dajú nabíjať rýchlejšie a majú dlhšiu životnosť ako bežne vyrábané lítium-iónové batérie. Navyše na sušenie batérií použili lasery, čím sa stal efektívnejší spôsob poťahovania elektród na vodnej báze.
Jedným z kľúčových krokov pri výrobe lítium-iónových batérií je výroba elektród na báze grafitu. Pre tieto elektródy sa používa proces roll-to-roll na potiahnutie medenej fólie grafitovou pastou, ktorá sa potom suší v kontinuálnej peci pri 160-180 stupňoch Celzia. Plynové kontinuálne pece (ktoré prepravujú medenú fóliu na dopravnom páse) zaberajú okrem veľkej spotreby energie aj veľa miesta: zvyčajne sú dlhé 60-100 metrov a zvyčajne dokážu vysušiť 100 metrov medenej fólie na minútu pri prevádzke v priemyselnom meradle.
Efektívne sušenie buniek pomocou laserov
Výskumníci z Fraunhofer ILT vyvinuli systém, ktorý využíva diódový laser na urýchlenie procesu sušenia. Laserový lúč má vlnovú dĺžku 1 mikrón a je zosilnený špeciálnou optikou, ktorá umožňuje ožarovanie väčšej plochy elektródami.
Optika bola navrhnutá špeciálne pre sušiaci systém od Fraunhoferovho priemyselného partnera Laserline. Samuel Fink, vedúci skupiny na spracovanie tenkých vrstiev vo Fraunhoferovom inštitúte pre priemyselné technológie, vysvetľuje princíp procesu: „Na rozdiel od procesu sušenia horúcim vzduchom náš diódový laser premieta lúč vysokej intenzity na medenú fóliu. potiahnuté grafitovou pastou. Čierny grafit absorbuje energiu. Výsledná interakcia spôsobí, že sa častice grafitu zohrejú a potom sa kvapalina odparí."
Technológia Fraunhofer ILT ponúka množstvo výhod: diódový laser je veľmi energeticky účinný v porovnaní s energeticky náročnými kontinuálnymi pecami a systém uvoľňuje do prostredia veľmi málo tepla. Navyše, laserové sušiace systémy zaberajú menej miesta ako bežné pece. Podľa Samuela Finka „Sušenie diódovým laserom zníži energetické požiadavky až o 50 percent a zníži priestor potrebný na priemyselné sušiace systémy najmenej o 60 percent.
Vylepšená 3D štruktúra elektród zlepšuje výkon
Okrem týchto výhod dokázal tím Fraunhofer ILT použiť laser na zvýšenie hustoty výkonu a životnosti lítium-iónových batérií. Vysokovýkonný ultrakrátky pulzný laser (USP) s energiou pulzu 1 milijoule zavádza do elektródy batérie dierovú štruktúru nazývanú kanál. Tieto kanály fungujú ako "diaľnice" pre ióny - výrazne skracujú vzdialenosť, ktorú musia ióny prejsť, čím skracujú proces nabíjania. Zároveň sa tým predchádza vzniku defektov, čím sa zvyšuje počet nabíjacích cyklov a v konečnom dôsledku predlžuje životnosť batérie.
Laserový proces výroby dierových štruktúr a jeho pozitívny vplyv na batérie je teoreticky zrejmý a výskumníkom Fraunhofer ILT sa podarilo previesť tento koncept do praxe: z laboratória na škálovateľný, priemyselne pripravený proces, ktorý využíva ultrakrátke impulzy laserového žiarenia. vo femtosekundovom rozsahu na modifikáciu a ladenie elektródových štruktúr.
Matthias Trenn, vedúci tímu Fraunhofer ILT pre povrchovú štruktúru, vysvetľuje: "Krátke interakčné časy laserových impulzov sú dostatočné na odstránenie materiálu, ale aj na zabránenie roztaveniu dier, čo znamená, že bunky nestrácajú energiu."
Jednou z výziev, ktorým tím kedysi čelil, bolo, ako zvládnuť väčšie plochy, aby sa dosiahol objem výroby potrebný pre priemyselnú výrobu. Fraunhoferov tím vyriešil tento problém použitím viaclúčového usporiadania a paralelného riadenia procesu: ich riešenie využíva štyri skenery, každý so šiestimi lúčmi, na paralelné spracovanie fólií. Pokrývajú šírku 250 mm a kontinuálne spracovávajú grafitové vrstvy. Uvádza sa, že tento viaclúčový optický systém vyvinula a implementovala spoločnosť Fraunhofer ILT v úzkej spolupráci s jej spin-off spoločnosťou Pulsar Photonics GmbH.
Výskum vykonaný vyššie uvedeným tímom ukázal, že laserovú technológiu možno použiť ako digitálny výrobný proces na zlepšenie kvality buniek a výrazné zvýšenie udržateľnosti výrobného procesu. Ako ďalší krok dúfajú, že implementujú technológiu od prototypových rozšírení až po priemyselné výrobné linky.