Merkittäviä energiansäästöjä! Saksa kehittää uutta laserpohjaista ratkaisua akkujen tuotantoon

Äskettäin ryhmä tutkijoita Fraunhofer Institute for Laser Technologysta (Fraunhofer ILT) Aachenista, Saksasta, kehitti kaksi laserpohjaista valmistustekniikkaa, jotka eivät ainoastaan ​​mahdollista merkittäviä energiansäästöjä tuotannossa, vaan mahdollistavat myös suuremman tehotiheyden valmistuksen. pidemmän käyttöiän akut.
Nykyään tehokkaista akuista on tullut keskeinen edellytys kuljetusalan sähköistymiselle. Yllämainitun ryhmän tutkijat kehittivät innovatiivista lasertekniikkaa litiumioniakkujen tuottamiseksi - jotka voidaan ladata nopeammin ja niiden käyttöikä on pidempi kuin perinteisesti valmistettujen litiumioniakkujen. Lisäksi he käyttivät lasereita akkujen kuivaamiseen, mikä teki siitä tehokkaamman tavan pinnoittaa vesipohjaisia ​​elektrodeja.
Yksi litiumioniakkujen tuotannon tärkeimmistä vaiheista on grafiittipohjaisten elektrodien valmistus. Näille elektrodeille käytetään rullalta rullalle -prosessia kuparifolion päällystämiseksi grafiittitahnalla, joka sitten kuivataan jatkuvassa uunissa 160-180 celsiusasteessa. Kaasukäyttöiset jatkuvatoimiset uunit (jotka kuljettavat kuparifoliota kuljetinhihnalla) vievät paljon tilaa ja kuluttavat paljon energiaa: ne ovat tyypillisesti 60-100 metriä pitkiä ja voivat tyypillisesti kuivata 100 metriä kuparifoliota kohti. minuutti, kun sitä käytetään teollisessa mittakaavassa.
Tehokas solujen kuivaus lasereilla
Fraunhofer ILT:n tutkijat ovat kehittäneet järjestelmän, joka käyttää diodilaseria nopeuttamaan kuivausprosessia. Lasersäteen aallonpituus on 1 mikroni, ja sitä vahvistaa erityisoptiikka, joka mahdollistaa suuremman alueen säteilyttämisen elektrodeilla.
Optiikan on suunnitellut erityisesti kuivausjärjestelmää varten Fraunhoferin teollisuuskumppani Laserline. Samuel Fink, Fraunhofer Institute for Industrial Technologyn ohutkalvokäsittelyryhmän johtaja, selittää prosessin taustalla olevan periaatteen: "Toisin kuin kuumailmakuivausprosessissa, diodilaserimme heijastaa korkean intensiteetin säteen kuparikalvolle. päällystetty grafiittitahnalla. Musta grafiitti imee energiaa. Tuloksena oleva vuorovaikutus saa grafiittihiukkaset lämpenemään, ja sitten neste haihtuu."
Fraunhofer ILT:n teknologia tarjoaa useita etuja: diodilaser on erittäin energiatehokas verrattuna tehoa kuluttaviin jatkuviin uuneihin, ja järjestelmä luovuttaa ympäristöön hyvin vähän lämpöä. Lisäksi laserkuivausjärjestelmät vievät vähemmän tilaa kuin perinteiset uunit. Samuel Finkin mukaan "kuivaus diodilaserilla vähentää energian tarvetta jopa 50 prosenttia ja vähentää teollisen mittakaavan kuivausjärjestelmien tilaa vähintään 60 prosenttia."
Parannettu 3D-elektrodirakenne parantaa suorituskykyä
Näiden etujen lisäksi Fraunhofer ILT -tiimi pystyi käyttämään laseria litiumioniakkujen tehotiheyden ja käyttöiän lisäämiseen. Suuritehoinen ultrashort pulse laser (USP) 1 millijoulen pulssienergialla tuo akkuelektrodissa reikärakenteen, jota kutsutaan kanavaksi. Nämä kanavat toimivat "valtateinä" ioneille - ne lyhentävät merkittävästi matkaa, jonka ionien on kuljettava, mikä lyhentää latausprosessia. Samalla tämä estää vikojen ilmaantumisen, mikä lisää latausjaksojen määrää ja pidentää lopulta akun käyttöikää.
Laserpohjainen reikärakenteiden valmistusprosessi ja sen myönteinen vaikutus akkuihin on teoriassa ilmeinen, ja Fraunhofer ILT:n tutkijat ovat onnistuneet toteuttamaan konseptin käytännössä: laboratoriosta skaalautuvaksi, teollisuusvalmiiksi prosessiksi, jossa käytetään ultralyhyitä lasersäteilypulsseja. femtosekuntien alueella elektrodirakenteiden muokkaamiseen ja virittämiseen.
Matthias Trenn, Fraunhofer ILT -pintarakennetiimin johtaja, selittää: "Laserpulssien lyhyet vuorovaikutusajat riittävät poistamaan materiaalin, mutta myös estämään reikien sulamisen, mikä tarkoittaa, että solut eivät menetä tehoa."
Yksi tiimin kerran kohtaamista haasteista oli suurempien alueiden käsittely teollisen tuotannon vaatiman volyymituotannon saavuttamiseksi. Fraunhofer-tiimi ratkaisi tämän ongelman käyttämällä monisädejärjestelyä ja rinnakkaista prosessinohjausta: heidän ratkaisussaan käytetään neljää skanneria, joissa kussakin on kuusi sädettä, prosessoimaan kalvot rinnakkain. Ne kattavat 250 mm leveyden ja käsittelevät grafiittikerroksia jatkuvasti. On raportoitu, että Fraunhofer ILT on kehittänyt ja toteuttanut tämän monisäteisen optisen järjestelmän läheisessä yhteistyössä spin-off-yhtiönsä Pulsar Photonics GmbH:n kanssa.
Edellä mainitun tiimin tekemä tutkimus on osoittanut, että laserteknologiaa voidaan käyttää digitaalisena tuotantoprosessina parantamaan solujen laatua ja lisäämään merkittävästi valmistusprosessin kestävyyttä. Seuraavana askeleena he toivovat ottavansa käyttöön teknologian prototyyppilaajennuksista teollisiin tuotantolinjoihin.