Penjimatan Tenaga yang ketara! Jerman Membangunkan Penyelesaian Baharu berasaskan Laser Untuk Pengeluaran Bateri

Baru-baru ini, sekumpulan penyelidik dari Institut Teknologi Laser Fraunhofer (Fraunhofer ILT) di Aachen, Jerman, membangunkan dua teknologi pembuatan berasaskan laser yang bukan sahaja membolehkan penjimatan tenaga yang ketara dalam pengeluaran, tetapi juga membolehkan pembuatan ketumpatan kuasa yang lebih tinggi, hayat bateri lebih lama.
Hari ini, bateri berprestasi tinggi telah menjadi prasyarat utama untuk elektrifikasi sektor pengangkutan. Para penyelidik dalam pasukan yang disebutkan di atas membangunkan teknologi laser yang inovatif untuk menghasilkan bateri litium-ion - yang boleh dicas lebih cepat dan mempunyai hayat perkhidmatan yang lebih lama daripada bateri litium-ion yang dihasilkan secara konvensional. Di samping itu, mereka menggunakan laser untuk mengeringkan bateri, menjadikannya cara yang lebih cekap untuk menyalut elektrod berasaskan air.
Salah satu langkah utama dalam pengeluaran bateri litium-ion ialah fabrikasi elektrod berasaskan grafit. Untuk elektrod ini, proses roll-to-roll digunakan untuk menyalut foil kuprum dengan pes grafit, yang kemudiannya dikeringkan dalam relau berterusan pada 160-180 darjah Celsius. Relau berterusan dipacu gas (yang mengangkut kerajang kuprum pada tali pinggang penghantar) mengambil banyak ruang selain memakan banyak tenaga: ia biasanya panjang 60-100 meter dan biasanya boleh mengeringkan 100 meter kerajang kuprum setiap minit apabila beroperasi pada skala perindustrian.
Pengeringan sel yang cekap dengan laser
Penyelidik Fraunhofer ILT telah membangunkan sistem yang menggunakan laser diod untuk mempercepatkan proses pengeringan. Pancaran laser mempunyai panjang gelombang 1 mikron dan dikuatkan oleh optik khas yang membolehkan kawasan yang lebih besar disinari oleh elektrod.
Optik direka khusus untuk sistem pengeringan oleh rakan kongsi industri Fraunhofer Laserline. Samuel Fink, ketua kumpulan pemprosesan filem nipis di Institut Teknologi Perindustrian Fraunhofer, menerangkan prinsip di sebalik proses itu: "Berbeza dengan proses pengeringan udara panas, laser diod kami menayangkan rasuk intensiti tinggi pada kerajang kuprum. disalut dengan pes grafit. Grafit hitam menyerap tenaga. Interaksi yang terhasil menyebabkan zarah grafit menjadi panas, dan kemudian cecair menyejat."
Teknologi Fraunhofer ILT menawarkan beberapa faedah: laser diod adalah sangat cekap tenaga berbanding dengan relau berterusan yang memakan kuasa, dan sistem mengeluarkan haba yang sangat sedikit ke persekitaran. Di samping itu, sistem pengeringan laser mengambil lebih sedikit ruang daripada relau konvensional. Menurut Samuel Fink, "Pengeringan dengan laser diod akan mengurangkan keperluan tenaga sehingga 50 peratus dan mengurangkan ruang yang diperlukan untuk sistem pengeringan skala industri sekurang-kurangnya 60 peratus ."
Struktur elektrod 3D yang dipertingkatkan meningkatkan prestasi
Sebagai tambahan kepada faedah ini, pasukan Fraunhofer ILT dapat menggunakan laser untuk meningkatkan ketumpatan kuasa dan jangka hayat bateri lithium-ion. Laser nadi ultrashort berkuasa tinggi (USP) dengan tenaga nadi 1 milijoule memperkenalkan struktur lubang yang dipanggil saluran dalam elektrod bateri. Saluran ini bertindak sebagai "lebuh raya" untuk ion - ia memendekkan jarak yang mesti dilalui oleh ion, memendekkan proses pengecasan. Pada masa yang sama, ini menghalang kecacatan daripada muncul, dengan itu meningkatkan bilangan kitaran pengecasan dan akhirnya memanjangkan hayat bateri.
Proses berasaskan laser untuk fabrikasi struktur lubang dan kesan positifnya pada bateri secara teorinya jelas, dan penyelidik Fraunhofer ILT telah berjaya menterjemahkan konsep tersebut ke dalam amalan: daripada makmal kepada proses yang boleh skala, sedia industri yang menggunakan denyutan sinaran laser ultra pendek. dalam julat femtosaat untuk mengubah suai, dan menala, struktur elektrod.
Matthias Trenn, ketua pasukan struktur permukaan Fraunhofer ILT, menjelaskan, "Masa interaksi pendek denyutan laser adalah mencukupi untuk menghilangkan bahan, tetapi juga untuk mengelakkan lubang daripada mencair, yang bermaksud bahawa sel tidak kehilangan kuasa."
Salah satu cabaran yang pernah dihadapi oleh pasukan ialah bagaimana mengendalikan kawasan yang lebih besar untuk mencapai jumlah pengeluaran yang diperlukan untuk pengeluaran perindustrian. Pasukan Fraunhofer menyelesaikan masalah ini dengan menggunakan susunan berbilang rasuk dan kawalan proses selari: penyelesaian mereka menggunakan empat pengimbas, setiap satu dengan enam rasuk, untuk memproses foil secara selari. Mereka meliputi lebar 250 mm dan memproses lapisan grafit secara berterusan. Dilaporkan bahawa sistem optik berbilang rasuk ini dibangunkan dan dilaksanakan oleh Fraunhofer ILT dengan kerjasama rapat dengan syarikat spin-offnya Pulsar Photonics GmbH.
Penyelidikan yang dijalankan oleh pasukan yang disebutkan di atas telah menunjukkan bahawa teknologi laser boleh digunakan sebagai proses pengeluaran digital untuk meningkatkan kualiti sel dan meningkatkan kemampanan proses pembuatan dengan ketara. Sebagai langkah seterusnya, mereka berharap dapat melaksanakan teknologi daripada sambungan prototaip kepada barisan pengeluaran perindustrian.