Σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας! Η Γερμανία αναπτύσσει νέα λύση που βασίζεται σε λέιζερ για την παραγωγή μπαταριών

Πρόσφατα, μια ομάδα ερευνητών από το Fraunhofer Institute for Laser Technology (Fraunhofer ILT) στο Άαχεν της Γερμανίας, ανέπτυξε δύο τεχνολογίες κατασκευής που βασίζονται σε λέιζερ που όχι μόνο επιτρέπουν σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας στην παραγωγή, αλλά και επιτρέπουν την κατασκευή υψηλότερης πυκνότητας ισχύος. μπαταρίες μεγαλύτερης διάρκειας ζωής.
Σήμερα, οι μπαταρίες υψηλής απόδοσης έχουν γίνει βασική προϋπόθεση για την ηλεκτροδότηση του τομέα των μεταφορών. Οι ερευνητές της προαναφερθείσας ομάδας ανέπτυξαν καινοτόμο τεχνολογία λέιζερ για την παραγωγή μπαταριών ιόντων λιθίου - οι οποίες μπορούν να φορτιστούν πιο γρήγορα και να έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής από τις συμβατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου. Επιπλέον, χρησιμοποίησαν λέιζερ για να στεγνώσουν τις μπαταρίες, καθιστώντας τον έναν πιο αποτελεσματικό τρόπο για την επίστρωση ηλεκτροδίων με βάση το νερό.
Ένα από τα βασικά βήματα στην παραγωγή μπαταριών ιόντων λιθίου είναι η κατασκευή ηλεκτροδίων με βάση τον γραφίτη. Για αυτά τα ηλεκτρόδια, χρησιμοποιείται μια διαδικασία ρολού σε ρολό για την επικάλυψη του φύλλου χαλκού με πάστα γραφίτη, η οποία στη συνέχεια ξηραίνεται σε συνεχή κλίβανο στους 160-180 βαθμούς Κελσίου. Οι συνεχείς φούρνοι με αέριο (που μεταφέρουν φύλλο χαλκού σε μια μεταφορική ταινία) καταλαμβάνουν πολύ χώρο εκτός από την κατανάλωση πολλής ενέργειας: έχουν συνήθως μήκος 60-100 μέτρα και μπορούν συνήθως να στεγνώσουν 100 μέτρα φύλλου χαλκού ανά λεπτό όταν λειτουργεί σε βιομηχανική κλίμακα.
Αποτελεσματική ξήρανση κυττάρων με λέιζερ
Οι ερευνητές της Fraunhofer ILT ανέπτυξαν ένα σύστημα που χρησιμοποιεί λέιζερ διόδου για να επιταχύνει τη διαδικασία στεγνώματος. Η δέσμη λέιζερ έχει μήκος κύματος 1 micron και ενισχύεται από ειδικά οπτικά που επιτρέπουν την ακτινοβολία μεγαλύτερης περιοχής από τα ηλεκτρόδια.
Τα οπτικά στοιχεία σχεδιάστηκαν ειδικά για το σύστημα στεγνώματος από τον βιομηχανικό συνεργάτη της Fraunhofer, Laserline. Ο Samuel Fink, επικεφαλής της ομάδας επεξεργασίας λεπτής μεμβράνης στο Ινστιτούτο Βιομηχανικής Τεχνολογίας Fraunhofer, εξηγεί την αρχή πίσω από τη διαδικασία: «Σε αντίθεση με τη διαδικασία ξήρανσης με ζεστό αέρα, το λέιζερ διόδου μας προβάλλει μια δέσμη υψηλής έντασης σε ένα φύλλο χαλκού επικαλυμμένο με πάστα γραφίτη. Ο μαύρος γραφίτης απορροφά την ενέργεια. Η προκύπτουσα αλληλεπίδραση προκαλεί τη θέρμανση των σωματιδίων γραφίτη και στη συνέχεια το υγρό εξατμίζεται."
Η τεχνολογία του Fraunhofer ILT προσφέρει μια σειρά από πλεονεκτήματα: το λέιζερ διόδου είναι πολύ ενεργειακά αποδοτικό σε σύγκριση με τους ενεργοβόρους κλιβάνους συνεχούς λειτουργίας και το σύστημα απελευθερώνει πολύ λίγη θερμότητα στο περιβάλλον. Επιπλέον, τα συστήματα ξήρανσης λέιζερ καταλαμβάνουν λιγότερο χώρο από τους συμβατικούς φούρνους. Σύμφωνα με τον Samuel Fink, «Η ξήρανση με διοδικό λέιζερ θα μειώσει τις ενεργειακές απαιτήσεις έως και 50 τοις εκατό και θα μειώσει τον χώρο που απαιτείται για συστήματα ξήρανσης βιομηχανικής κλίμακας κατά τουλάχιστον 60 τοις εκατό ».
Η βελτιωμένη δομή ηλεκτροδίων 3D βελτιώνει την απόδοση
Εκτός από αυτά τα πλεονεκτήματα, η ομάδα Fraunhofer ILT μπόρεσε να χρησιμοποιήσει το λέιζερ για να αυξήσει την πυκνότητα ισχύος και τη διάρκεια ζωής των μπαταριών ιόντων λιθίου. Ένα λέιζερ υπερβραχέων παλμών υψηλής ισχύος (USP) με ενέργεια παλμού 1 millijoule εισάγει μια δομή οπής που ονομάζεται κανάλι στο ηλεκτρόδιο της μπαταρίας. Αυτά τα κανάλια λειτουργούν ως «λεωφόροι» για τα ιόντα - μειώνουν σημαντικά την απόσταση που πρέπει να διανύσουν τα ιόντα, συντομεύοντας τη διαδικασία φόρτισης. Ταυτόχρονα, αυτό αποτρέπει την εμφάνιση ελαττωμάτων, αυξάνοντας έτσι τον αριθμό των κύκλων φόρτισης και τελικά παρατείνοντας τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.
Η διαδικασία που βασίζεται στο λέιζερ για την κατασκευή δομών οπών και ο θετικός αντίκτυπός της στις μπαταρίες είναι θεωρητικά προφανής, και οι ερευνητές της Fraunhofer ILT κατάφεραν να μεταφράσουν την ιδέα στην πράξη: από το εργαστήριο σε μια κλιμακούμενη, έτοιμη για τη βιομηχανία διαδικασία που χρησιμοποιεί εξαιρετικά σύντομους παλμούς ακτινοβολίας λέιζερ στην περιοχή του femtosecond για την τροποποίηση και τον συντονισμό των δομών ηλεκτροδίων.
Ο Matthias Trenn, επικεφαλής της ομάδας επιφανειακής δομής Fraunhofer ILT, εξηγεί, «Οι σύντομοι χρόνοι αλληλεπίδρασης των παλμών λέιζερ είναι επαρκείς για να αφαιρέσουν το υλικό, αλλά και για να αποτρέψουν την τήξη των οπών, πράγμα που σημαίνει ότι τα κύτταρα δεν χάνουν ισχύ».
Μία από τις προκλήσεις που αντιμετώπισε κάποτε η ομάδα ήταν πώς να χειριστεί μεγαλύτερες περιοχές για να επιτύχει τον όγκο παραγωγής που απαιτείται για τη βιομηχανική παραγωγή. Η ομάδα Fraunhofer έλυσε αυτό το πρόβλημα χρησιμοποιώντας μια διάταξη πολλαπλών ακτίνων και παράλληλο έλεγχο διεργασιών: η λύση τους χρησιμοποιεί τέσσερις σαρωτές, ο καθένας με έξι δέσμες, για την παράλληλη επεξεργασία των φύλλων. Καλύπτουν πλάτος 250 mm και επεξεργάζονται συνεχώς τις στρώσεις γραφίτη. Αναφέρεται ότι αυτό το οπτικό σύστημα πολλαπλών δεσμών αναπτύχθηκε και εφαρμόστηκε από την Fraunhofer ILT σε στενή συνεργασία με την spin-off εταιρεία Pulsar Photonics GmbH.
Η έρευνα που διεξήχθη από την προαναφερθείσα ομάδα έδειξε ότι η τεχνολογία λέιζερ μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ψηφιακή διαδικασία παραγωγής για τη βελτίωση της ποιότητας των κυττάρων και τη σημαντική αύξηση της βιωσιμότητας της διαδικασίας παραγωγής. Ως επόμενο βήμα, ελπίζουν να εφαρμόσουν την τεχνολογία από τις πρωτότυπες επεκτάσεις σε γραμμές βιομηχανικής παραγωγής.