Značajne uštede energije! Njemačka razvija novo lasersko rješenje za proizvodnju baterija

Nedavno je grupa istraživača sa Fraunhofer instituta za lasersku tehnologiju (Fraunhofer ILT) u Aachenu u Njemačkoj razvila dvije proizvodne tehnologije zasnovane na laseru koje ne samo da omogućavaju značajne uštede energije u proizvodnji, već i omogućavaju proizvodnju veće gustine snage, dužeg veka trajanja baterija.
Danas su baterije visokih performansi postale ključni preduslov za elektrifikaciju transportnog sektora. Istraživači iz gore navedenog tima razvili su inovativnu lasersku tehnologiju za proizvodnju litijum-jonskih baterija - koje se mogu brže puniti i imaju duži vijek trajanja od konvencionalno proizvedenih litijum-jonskih baterija. Osim toga, koristili su lasere za sušenje baterija, što je činilo efikasnijim načinom premazivanja elektroda na bazi vode.
Jedan od ključnih koraka u proizvodnji litijum-jonskih baterija je izrada elektroda na bazi grafita. Za ove elektrode se koristi proces roll-to-roll za premazivanje bakarne folije grafitnom pastom, koja se zatim suši u kontinuiranoj peći na 160-180 stepeni Celzijusa. Kontinualne peći na plin (koje transportuju bakarnu foliju na transportnoj traci) zauzimaju puno prostora osim što troše mnogo energije: tipično su dugačke 60-100 metara i obično mogu osušiti 100 metara bakarne folije po minuta kada se radi na industrijskom nivou.
Efikasno sušenje ćelija sa laserima
Fraunhofer ILT istraživači su razvili sistem koji koristi diodni laser za ubrzanje procesa sušenja. Laserski snop ima valnu dužinu od 1 mikrona i pojačan je specijalnom optikom koja omogućava zračenje veće površine od strane elektroda.
Optika je dizajnirana posebno za sistem sušenja od strane Fraunhoferovog industrijskog partnera Laserline. Samuel Fink, šef grupe za obradu tankog filma na Fraunhofer institutu za industrijsku tehnologiju, objašnjava princip koji stoji iza procesa: „Za razliku od procesa sušenja toplim zrakom, naš diodni laser projektuje snop visokog intenziteta na bakarnu foliju premazan grafitnom pastom. Crni grafit apsorbira energiju. Rezultirajuća interakcija uzrokuje zagrijavanje čestica grafita, a zatim tečnost isparava."
Tehnologija Fraunhofer ILT-a nudi niz prednosti: diodni laser je vrlo energetski efikasan u poređenju sa kontinualnim pećima koje troše energiju, a sistem otpušta vrlo malo topline u okolinu. Osim toga, laserski sistemi za sušenje zauzimaju manje prostora od konvencionalnih peći. Prema Samuelu Finku, "Sušenje diodnim laserom će smanjiti potrebe za energijom do 50 posto i smanjiti prostor potreban za industrijske sisteme sušenja za najmanje 60 posto."
Poboljšana 3D struktura elektroda poboljšava performanse
Pored ovih prednosti, Fraunhofer ILT tim je bio u mogućnosti da koristi laser za povećanje gustine snage i životnog veka litijum-jonskih baterija. Laser ultra kratkog impulsa velike snage (USP) s impulsnom energijom od 1 milidžula uvodi strukturu rupa koja se naziva kanal u elektrodi baterije. Ovi kanali djeluju kao "autoputevi" za jone - značajno skraćuju udaljenost koju ioni moraju prijeći, skraćujući proces punjenja. U isto vrijeme, to sprječava pojavu kvarova, čime se povećava broj ciklusa punjenja i na kraju produžava vijek trajanja baterije.
Laserski zasnovan proces za izradu struktura rupa i njegov pozitivan utjecaj na baterije teoretski je očigledan, a istraživači Fraunhofer ILT-a uspjeli su prevesti koncept u praksu: od laboratorija do skalabilnog, industrijskog procesa koji koristi ultrakratke impulse laserskog zračenja u femtosekundnom opsegu za modifikovanje i podešavanje strukture elektroda.
Matthias Trenn, šef tima Fraunhofer ILT za površinsku strukturu, objašnjava: "Kratka vremena interakcije laserskih impulsa dovoljna su za ablaciju materijala, ali i za sprječavanje topljenja rupa, što znači da ćelije ne gube snagu."
Jedan od izazova s ​​kojima se tim nekada suočio bio je kako se nositi s većim površinama kako bi se postigao obim proizvodnje koji je potreban za industrijsku proizvodnju. Fraunhoferov tim je riješio ovaj problem korištenjem rasporeda više zraka i paralelne kontrole procesa: njihovo rješenje koristi četiri skenera, svaki sa šest zraka, za paralelnu obradu folija. Pokrivaju širinu od 250 mm i kontinuirano obrađuju slojeve grafita. Izvještava se da je ovaj višesmjerni optički sistem razvio i implementirao Fraunhofer ILT u bliskoj saradnji sa svojom spin-off kompanijom Pulsar Photonics GmbH.
Istraživanje koje je proveo pomenuti tim pokazalo je da se laserska tehnologija može koristiti kao digitalni proizvodni proces za poboljšanje kvaliteta ćelija i značajno povećanje održivosti proizvodnog procesa. Kao sljedeći korak, nadaju se implementaciji tehnologije od proširenja prototipa do industrijskih proizvodnih linija.