Betydande energibesparingar! Tyskland utvecklar ny laserbaserad lösning för batteriproduktion

Nyligen utvecklade en grupp forskare från Fraunhofer Institute for Laser Technology (Fraunhofer ILT) i Aachen, Tyskland, två laserbaserade tillverkningsteknologier som inte bara möjliggör betydande energibesparingar i produktionen, utan också möjliggör tillverkning av högre effekttäthet, batterier med längre livslängd.
Idag har högpresterande batterier blivit en nyckelförutsättning för elektrifieringen av transportsektorn. Forskarna i ovan nämnda team utvecklade innovativ laserteknik för att producera litiumjonbatterier – som kan laddas snabbare och har längre livslängd än konventionellt tillverkade litiumjonbatterier. Dessutom använde de lasrar för att torka batterierna, vilket gjorde det till ett mer effektivt sätt att belägga vattenbaserade elektroder.
Ett av nyckelstegen i produktionen av litiumjonbatterier är tillverkningen av grafitbaserade elektroder. För dessa elektroder används en roll-to-roll-process för att belägga kopparfolien med grafitpasta, som sedan torkas i en kontinuerlig ugn vid 160-180 grader Celsius. Gasdrivna kontinuerliga ugnar (som transporterar kopparfolie på ett transportband) tar mycket plats förutom att de förbrukar mycket energi: de är typiskt 60-100 meter långa och kan typiskt torka 100 meter kopparfolie pr. minut vid drift i industriell skala.
Effektiv celltorkning med laser
Fraunhofer ILT-forskare har utvecklat ett system som använder en diodlaser för att påskynda torkningsprocessen. Laserstrålen har en våglängd på 1 mikron och förstärks av speciell optik som gör att en större yta kan bestrålas av elektroderna.
Optiken designades specifikt för torksystemet av Fraunhofers industripartner Laserline. Samuel Fink, chef för tunnfilmsbehandlingsgruppen vid Fraunhofer Institute for Industrial Technology, förklarar principen bakom processen: "I motsats till varmluftstorkningsprocessen projicerar vår diodlaser en högintensiv stråle på en kopparfolie belagd med grafitpasta. Den svarta grafiten absorberar energin. Den resulterande växelverkan gör att grafitpartiklarna värms upp och sedan förångas vätskan."
Fraunhofer ILT:s teknologi erbjuder ett antal fördelar: diodlasern är mycket energieffektiv jämfört med strömförbrukande kontinuerliga ugnar, och systemet avger väldigt lite värme till miljön. Dessutom tar lasertorksystem mindre plats än konventionella ugnar. Enligt Samuel Fink, "Torkning med en diodlaser kommer att minska energibehovet med upp till 50 procent och minska det utrymme som krävs för torksystem i industriell skala med minst 60 procent."
Förbättrad 3D-elektrodstruktur förbättrar prestandan
Utöver dessa fördelar kunde Fraunhofer ILT-teamet använda lasern för att öka kraftdensiteten och livslängden för litiumjonbatterier. En högeffekts ultrakort pulslaser (USP) med en pulsenergi på 1 millijoule introducerar en hålstruktur som kallas en kanal i batterielektroden. Dessa kanaler fungerar som "motorvägar" för jonerna - de förkortar avsevärt avståndet som jonerna måste färdas, vilket förkortar laddningsprocessen. Samtidigt förhindrar detta att defekter uppstår, vilket ökar antalet laddningscykler och förlänger i slutändan batteriets livslängd.
Den laserbaserade processen för tillverkning av hålstrukturer och dess positiva inverkan på batterier är teoretiskt uppenbar, och Fraunhofer ILT-forskare har lyckats omsätta konceptet i praktiken: från laboratoriet till en skalbar, industriklar process som använder ultrakorta pulser av laserstrålning i femtosekundområdet för att modifiera och ställa in elektrodstrukturer.
Matthias Trenn, chef för Fraunhofer ILT:s ytstrukturteam, förklarar, "De korta interaktionstiderna för laserpulserna är tillräckliga för att ablatera materialet, men också för att förhindra att hålen smälter, vilket gör att cellerna inte förlorar kraft."
En av utmaningarna som teamet en gång ställdes inför var hur man skulle hantera större ytor för att uppnå den volymproduktion som krävs för industriell produktion. Fraunhofer-teamet löste detta problem genom att använda ett flerstrålarrangemang och parallell processkontroll: deras lösning använder fyra skannrar, var och en med sex strålar, för att bearbeta folierna parallellt. De täcker en bredd på 250 mm och bearbetar grafitskikten kontinuerligt. Det rapporteras att detta optiska multi-beam-system har utvecklats och implementerats av Fraunhofer ILT i nära samarbete med dess spin-off-företag Pulsar Photonics GmbH.
Forskningen som utförts av det tidigare nämnda teamet har visat att laserteknik kan användas som en digital produktionsprocess för att förbättra kvaliteten på celler och avsevärt öka hållbarheten i tillverkningsprocessen. Som ett nästa steg hoppas de kunna implementera tekniken från prototypförlängningar till industriella produktionslinjer.