Betydelige energibesparelser! Tyskland utvikler ny laserbasert løsning for batteriproduksjon

Nylig utviklet en gruppe forskere fra Fraunhofer Institute for Laser Technology (Fraunhofer ILT) i Aachen, Tyskland, to laserbaserte produksjonsteknologier som ikke bare tillater betydelige energibesparelser i produksjonen, men som også muliggjør produksjon av høyere effekttetthet, batterier med lengre levetid.
I dag har høyytelsesbatterier blitt en sentral forutsetning for elektrifiseringen av transportsektoren. Forskerne i det ovennevnte teamet utviklet innovativ laserteknologi for å produsere litium-ion-batterier – som kan lades raskere og har lengre levetid enn konvensjonelt produserte litium-ion-batterier. I tillegg brukte de lasere for å tørke batteriene, noe som gjorde det til en mer effektiv måte å belegge vannbaserte elektroder.
Et av nøkkeltrinnene i produksjonen av litiumionbatterier er fremstillingen av grafittbaserte elektroder. For disse elektrodene brukes en rull-til-rull-prosess for å belegge kobberfolien med grafittpasta, som deretter tørkes i en kontinuerlig ovn ved 160-180 grader Celsius. Gassdrevne kontinuerlige ovner (som transporterer kobberfolie på et transportbånd) tar mye plass i tillegg til å forbruke mye energi: de er typisk 60-100 meter lange og kan typisk tørke 100 meter kobberfolie pr. minutt ved bruk i industriell skala.
Effektiv celletørking med lasere
Fraunhofer ILT-forskere har utviklet et system som bruker en diodelaser for å akselerere tørkeprosessen. Laserstrålen har en bølgelengde på 1 mikron og forsterkes av spesiell optikk som gjør at et større område kan bestråles av elektrodene.
Optikken ble designet spesielt for tørkesystemet av Fraunhofers industripartner Laserline. Samuel Fink, leder for tynnfilmbehandlingsgruppen ved Fraunhofer Institute for Industrial Technology, forklarer prinsippet bak prosessen: "I motsetning til varmlufttørkeprosessen, projiserer vår diodelaser en høyintensitetsstråle på en kobberfolie belagt med grafittpasta. Den svarte grafitten absorberer energien. Den resulterende interaksjonen får grafittpartiklene til å varmes opp, og deretter fordamper væsken."
Fraunhofer ILTs teknologi byr på en rekke fordeler: diodelaseren er svært energieffektiv sammenlignet med strømkrevende kontinuerlige ovner, og systemet avgir svært lite varme til miljøet. I tillegg tar lasertørkesystemer mindre plass enn konvensjonelle ovner. Ifølge Samuel Fink, "Tørking med en diodelaser vil redusere energibehovet med opptil 50 prosent og redusere plassen som kreves for tørkesystemer i industriell skala med minst 60 prosent."
Forbedret 3D-elektrodestruktur forbedrer ytelsen
I tillegg til disse fordelene var Fraunhofer ILT-teamet i stand til å bruke laseren til å øke strømtettheten og levetiden til litiumion-batterier. En kraftig ultrakort pulslaser (USP) med 1 millijoule pulsenergi introduserer en hullstruktur kalt en kanal i batterielektroden. Disse kanalene fungerer som "motorveier" for ionene - de forkorter betydelig avstanden ionene må reise, og forkorter ladeprosessen. Samtidig forhindrer dette at defekter oppstår, og øker dermed antall ladesykluser og forlenger til slutt batteriets levetid.
Den laserbaserte prosessen for fremstilling av hullstrukturer og dens positive innvirkning på batterier er teoretisk åpenbar, og Fraunhofer ILT-forskere har lykkes i å omsette konseptet til praksis: fra laboratoriet til en skalerbar, industriklar prosess som bruker ultrakorte pulser av laserstråling i femtosekundområdet for å modifisere og stille inn elektrodestrukturer.
Matthias Trenn, leder for Fraunhofer ILT-overflatestrukturteamet, forklarer: "De korte interaksjonstidene til laserpulsene er tilstrekkelige til å fjerne materialet, men også for å forhindre at hullene smelter, noe som betyr at cellene ikke mister kraft."
En av utfordringene teamet en gang møtte, var hvordan de skulle håndtere større områder for å oppnå volumproduksjonen som kreves for industriell produksjon. Fraunhofer-teamet løste dette problemet ved å bruke et flerstrålearrangement og parallell prosesskontroll: deres løsning bruker fire skannere, hver med seks stråler, for å behandle foliene parallelt. De dekker en bredde på 250 mm og behandler grafittlagene kontinuerlig. Det er rapportert at dette multi-beam optiske systemet ble utviklet og implementert av Fraunhofer ILT i nært samarbeid med dets spin-off-selskap Pulsar Photonics GmbH.
Forskningen utført av det nevnte teamet har vist at laserteknologi kan brukes som en digital produksjonsprosess for å forbedre kvaliteten på cellene og betydelig øke bærekraften til produksjonsprosessen. Som et neste steg håper de å implementere teknologien fra prototypeutvidelser til industrielle produksjonslinjer.