Значительная экономия энергии! Германия разрабатывает новое лазерное решение для производства аккумуляторов

Недавно группа исследователей из Института лазерных технологий Фраунгофера (Fraunhofer ILT) в Аахене, Германия, разработала две производственные технологии на основе лазеров, которые не только обеспечивают значительную экономию энергии при производстве, но и позволяют производить более высокую удельную мощность. аккумуляторы с более длительным сроком службы.
Сегодня высокопроизводительные аккумуляторы стали ключевым условием электрификации транспортного сектора. Исследователи из вышеупомянутой группы разработали инновационную лазерную технологию для производства литий-ионных аккумуляторов, которые заряжаются быстрее и имеют более длительный срок службы, чем литий-ионные аккумуляторы, производимые традиционным способом. Кроме того, они использовали лазеры для сушки аккумуляторов, что сделало его более эффективным способом покрытия электродов на водной основе.
Одним из ключевых этапов производства литий-ионных аккумуляторов является изготовление электродов на основе графита. Для этих электродов используется процесс рулонного покрытия медной фольги графитовой пастой, которая затем высушивается в печи непрерывного действия при температуре 160-180 градусов Цельсия. Печи непрерывного действия с газовым приводом (которые транспортируют медную фольгу на конвейерной ленте) занимают много места в дополнение к потреблению большого количества энергии: они обычно имеют длину 60-100 метров и обычно могут сушить 100 метров медной фольги за один раз. минут при работе в промышленных масштабах.
Эффективная сушка клеток с помощью лазеров
Исследователи Fraunhofer ILT разработали систему, использующую диодный лазер для ускорения процесса сушки. Лазерный луч имеет длину волны 1 микрон и усиливается специальной оптикой, которая позволяет электродам облучать большую площадь.
Оптика была разработана специально для системы сушки промышленным партнером Fraunhofer компанией Laserline. Самуэль Финк, глава группы обработки тонкой пленки в Институте промышленных технологий Фраунгофера, объясняет принцип, лежащий в основе этого процесса: «В отличие от процесса сушки горячим воздухом, наш диодный лазер проецирует высокоинтенсивный луч на медную фольгу. покрыт графитовой пастой. Черный графит поглощает энергию. В результате взаимодействия частицы графита нагреваются, а затем жидкость испаряется».
Технология Fraunhofer ILT предлагает ряд преимуществ: диодный лазер очень энергоэффективен по сравнению с энергоемкими печами непрерывного действия, а система выделяет очень мало тепла в окружающую среду. Кроме того, системы лазерной сушки занимают меньше места, чем обычные печи. По словам Сэмюэля Финка, «сушка с помощью диодного лазера снизит потребность в энергии до 50 процентов и уменьшит пространство, необходимое для сушильных систем промышленного масштаба, по крайней мере, на 60 процентов».
Улучшенная трехмерная структура электрода повышает производительность
В дополнение к этим преимуществам команда Fraunhofer ILT смогла использовать лазер для увеличения удельной мощности и срока службы литий-ионных батарей. Мощный лазер ультракоротких импульсов (USP) с энергией импульса 1 миллиджоуль вводит дырочную структуру, называемую каналом, в электроде батареи. Эти каналы действуют как «магистрали» для ионов — они значительно сокращают расстояние, которое должны пройти ионы, сокращая процесс зарядки. В то же время это предотвращает появление дефектов, тем самым увеличивая количество циклов зарядки и в конечном итоге продлевая срок службы аккумулятора.
Лазерный процесс изготовления дырочных структур и его положительное влияние на батареи теоретически очевидны, и исследователям Fraunhofer ILT удалось воплотить эту концепцию на практике: от лаборатории до масштабируемого промышленного процесса, в котором используются сверхкороткие импульсы лазерного излучения. в фемтосекундном диапазоне для модификации и настройки электродных структур.
Маттиас Тренн, руководитель отдела структуры поверхности Fraunhofer ILT, объясняет: «Короткого времени взаимодействия лазерных импульсов достаточно для абляции материала, а также для предотвращения расплавления отверстий, что означает, что клетки не теряют энергию».
Одна из проблем, с которой когда-то столкнулась команда, заключалась в том, как обрабатывать большие площади для достижения объемов производства, необходимых для промышленного производства. Команда Фраунгофера решила эту проблему, используя многолучевое устройство и параллельное управление процессом: их решение использует четыре сканера, каждый с шестью лучами, для параллельной обработки фольги. Они охватывают ширину 250 мм и непрерывно обрабатывают графитовые слои. Сообщается, что эта многолучевая оптическая система была разработана и реализована компанией Fraunhofer ILT в тесном сотрудничестве с ее дочерней компанией Pulsar Photonics GmbH.
Исследование, проведенное вышеупомянутой командой, показало, что лазерную технологию можно использовать в качестве цифрового производственного процесса для улучшения качества клеток и значительного повышения устойчивости производственного процесса. В качестве следующего шага они надеются внедрить технологию от расширения прототипа до промышленных производственных линий.