Niezależnie od tego, czy chodzi o stacjonarne systemy magazynowania energii, elektryczne samochody, autobusy czy małe pojazdy, takie jak rowery lub skutery baterie odgrywają kluczową rolę w mobilności przyszłości. Naukowcy na całym świecie pracują nad poprawą wydajności technologii akumulatorów. Naukowcy z Fraunhofer ILT w Akwizgranie opracowali dwie laserowe techniki produkcji, które oszczędzają energię podczas produkcji, a jednocześnie umożliwiają stworzenie ogniwa akumulatorowego o większej gęstości mocy i dłuższej żywotności.

W produkcji akumulatorów litowo-jonowych produkcja elektrod grafitowych jest jednym z podstawowych kroków. Folia miedziana jest powlekana pastą grafitową w procesie roll-to-roll, a następnie suszona w piecu ciągłym w temperaturze od 160 do 180ºC. Piece gazowe używane w trybie ciągłym charakteryzują się wysokim zużyciem energii. Ponadto piece, w których folia miedziana jest podawana na przenośniku taśmowym, zajmują dużo miejsca: mają od 60 do 100 metrów długości i suszą do 100 metrów folii na minutę na skalę przemysłową.

Wydajne suszenie laserami diodowymi

Eksperci Fraunhofera opracowali system, w którym suszenie przejmuje laser diodowy. Promień lasera o długości fali 1 mikrometra jest przedłużany przez specjalną optykę, która odsłania elektrodę na dużym obszarze. Optyka została specjalnie zaprojektowana dla systemu suszenia przez partnera przemysłowego Laserline. 

– W przeciwieństwie do suszenia gorącym powietrzem, nasz laser diodowy rzuca wiązkę o wysokiej intensywności na folię miedzianą pokrytą pastą grafitową. Głęboki czarny grafit pochłania energię. W wyniku początku interakcji cząstki grafitu nagrzewają się, a ciecz odparowuje – wyjaśnia Samuel Fink, kierownik grupy ds. procesów cienkowarstwowych w Fraunhofer ILT. – W porównaniu z energochłonnymi piecami ciągłymi, laser diodowy jest bardzo energooszczędny, a jednocześnie system prawie nie emituje ciepła na zewnątrz. Ponadto suszenie laserowe wymaga znacznie mniej miejsca niż konwencjonalne piekarniki. Suszenie laserem diodowym zmniejsza zapotrzebowanie na energię nawet o 50%, a przestrzeń wymaganą dla systemu suszenia na skalę przemysłową o co najmniej 60% – dodaje Fink.

Zmodyfikowana struktura elektrody 3D dla zwiększenia wydajności

Zespołowi Fraunhofer ILT udało się również poprawić gęstość mocy i żywotność akumulatorów litowo-jonowych. Tutaj również skupiono się na technologii laserowej, ale tym razem na laserze o ultrakrótkim impulsie o dużej mocy o wartości 1 milidżula energii, który wprowadza strukturę dziur, tak zwanych kanałów, do elektrody akumulatora. Kanały te służą jako "autostrady" jonowe. To znacznie zmniejsza odległość jonów, a tym samym umożliwia szybszy proces ładowania. Jednocześnie zapobiega to występowaniu usterek, co z kolei zwiększa liczbę możliwych cykli ładowania, a ostatecznie żywotność akumulatora.

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Rynek

Ceny akumulatorów litowo-jonowych mogą cały czas spadać

Ceny akumulatorów litowo-jonowych stosowanych w telefonach, laptopach czy samochodach w ciągu ostatnich 3 dekad niezwykle mocno spadły, a fakt ten przyczynił się do szybkiego rozwoju różnych technologii. Analizę tej sytuacji przeprowadzili naukowcy z MIT.

Inne

W gigafabryce Northvolt powstało pierwsze ogniwo litowo-jonowe

Uruchomiono gigafabrykę Northvolt Ett w północnej Szwecji, co umożliwiło produkcję pierwszego ogniwa. Otworzyło to nowy rozdział branży bateryjnej w Europie, gdyż jest to pierwsze ogniwo, które zostało całkowicie zaprojektowane, rozwinięte i wyprodukowane w gigafabryce należącej do europejskiej firmy.

Oparty na laserze proces generowania struktur otworów i pozytywny wpływ na ogniwo akumulatora są zasadniczo znane. Jednak naukowcom z Fraunhofera udało się przenieść metodę ze skali laboratoryjnej do skalowalnego procesu gotowego do użycia w przemyśle. Promieniowanie laserowe o ultra krótkich impulsach w zakresie femtosekundowym służy do modyfikacji elektrod. 

– Krótki czas interakcji impulsów laserowych jest wystarczający do usunięcia materiału, ale jednocześnie zapobiega topnieniu otworów, co pozwala uniknąć utraty mocy akumulatora – wyjaśnia Matthias Trenn, kierownik zespołu ds. strukturyzacji powierzchni w Fraunhofer ILT.

Jednym z wyzwań było wykorzystanie tego procesu do przetwarzania większych obszarów w celu osiągnięcia wysokiej przepustowości wymaganej do produkcji przemysłowej. Zespół Fraunhofera rozwiązał ten problem, stosując układ wielowiązkowy do równoległego sterowania procesem. Cztery skanery, każdy z sześcioma częściowymi emiterami, działają równolegle nad taśmą. Pokrywają szerokość 250 milimetrów i w sposób ciągły przetwarzają warstwę elektrody. Optyka wielowiązkowa została opracowana i wdrożona w ścisłej współpracy z Pulsar Photonics, spin-offem Fraunhofer ILT założonym w 2013 r.

Badania w Fraunhofer ILT pokazują, że technologia laserowa jako cyfrowy proces produkcyjny umożliwia skok w jakości ogniw akumulatorowych i może znacznie zwiększyć zrównoważony rozwój produkcji. 

Źródło: Fraunhofer