Önemli Enerji Tasarrufu! Almanya Pil Üretimi İçin Yeni Lazer Tabanlı Çözüm Geliştirdi

Son zamanlarda, Almanya, Aachen'deki Fraunhofer Lazer Teknolojisi Enstitüsü'nden (Fraunhofer ILT) bir grup araştırmacı, yalnızca üretimde önemli ölçüde enerji tasarrufu sağlamakla kalmayan, aynı zamanda daha yüksek güç yoğunluğunun üretilmesini de sağlayan iki lazer tabanlı üretim teknolojisi geliştirdi. daha uzun ömürlü piller.
Günümüzde yüksek performanslı piller, ulaşım sektörünün elektrifikasyonu için önemli bir ön koşul haline geldi. Yukarıda adı geçen ekipteki araştırmacılar, geleneksel olarak üretilen lityum iyon pillere göre daha hızlı şarj edilebilen ve daha uzun hizmet ömrüne sahip olan lityum iyon piller üretmek için yenilikçi lazer teknolojisi geliştirdiler. Ek olarak, pilleri kurutmak için lazer kullandılar, bu da onu su bazlı elektrotları kaplamanın daha verimli bir yolu haline getirdi.
Lityum-iyon pillerin üretimindeki en önemli adımlardan biri grafit bazlı elektrotların üretilmesidir. Bu elektrotlar için, bakır folyoyu grafit macunla kaplamak için rulodan ruloya bir işlem kullanılır ve bu daha sonra sürekli bir fırında 160-180 Santigrat derecede kurutulur. Gazla çalışan sürekli fırınlar (bakır folyoyu bir taşıma bandı üzerinde taşırlar) çok fazla enerji tüketmelerinin yanı sıra çok fazla yer kaplarlar: tipik olarak 60-100 metre uzunluğundadırlar ve tipik olarak her biri 100 metre bakır folyoyu kurutabilirler. endüstriyel ölçekte çalışırken dakika.
Lazerlerle verimli hücre kurutma
Fraunhofer ILT araştırmacıları, kurutma sürecini hızlandırmak için diyot lazer kullanan bir sistem geliştirdi. Lazer ışını 1 mikron dalga boyuna sahiptir ve elektrotlar tarafından daha geniş bir alanın ışınlanmasına izin veren özel optiklerle güçlendirilir.
Optikler, Fraunhofer'in endüstri ortağı Laserline tarafından kurutma sistemi için özel olarak tasarlanmıştır. Fraunhofer Endüstriyel Teknoloji Enstitüsü'nün ince film işleme grubu başkanı Samuel Fink, sürecin ardındaki prensibi şöyle açıklıyor: "Sıcak havayla kurutma işleminin aksine, diyot lazerimiz bakır bir folyo üzerine yüksek yoğunluklu bir ışın yansıtır. grafit pasta ile kaplanmıştır. Siyah grafit enerjiyi emer. Ortaya çıkan etkileşim, grafit parçacıklarının ısınmasına ve ardından sıvının buharlaşmasına neden olur."
Fraunhofer ILT'nin teknolojisi bir dizi avantaj sunar: diyot lazer, güç tüketen sürekli fırınlara kıyasla çok enerji verimlidir ve sistem çevreye çok az ısı yayar. Ayrıca lazer kurutma sistemleri konvansiyonel fırınlara göre daha az yer kaplar. Samuel Fink'e göre, "Diyot lazerle kurutma, enerji gereksinimlerini yüzde 50'ye kadar azaltacak ve endüstriyel ölçekli kurutma sistemleri için gereken alanı en az yüzde 60 azaltacak."
Geliştirilmiş 3D elektrot yapısı performansı artırır
Bu avantajlara ek olarak Fraunhofer ILT ekibi, lityum iyon pillerin güç yoğunluğunu ve kullanım ömrünü artırmak için lazeri kullanabildi. 1 milijoule darbe enerjisine sahip yüksek güçlü bir ultra kısa darbeli lazer (USP), pil elektrodunda kanal adı verilen bir delik yapısı sunar. Bu kanallar iyonlar için "otoyol" görevi görür - iyonların kat etmesi gereken mesafeyi önemli ölçüde kısaltarak şarj sürecini kısaltır. Aynı zamanda bu, kusurların ortaya çıkmasını önler, böylece şarj döngülerinin sayısını artırır ve sonuçta pilin ömrünü uzatır.
Delik yapılarını imal etmek için lazer tabanlı süreç ve bunun piller üzerindeki olumlu etkisi teorik olarak açıktır ve Fraunhofer ILT araştırmacıları, konsepti uygulamaya dönüştürmeyi başardılar: laboratuvardan, ultra kısa lazer radyasyon darbeleri kullanan, ölçeklenebilir, endüstriye hazır bir sürece. elektrot yapılarını değiştirmek ve ayarlamak için femtosaniye aralığında.
Fraunhofer ILT yüzey yapısı ekibinin başkanı Matthias Trenn, "Lazer darbelerinin kısa etkileşim süreleri, malzemeyi kesmek için yeterlidir, ancak aynı zamanda deliklerin erimesini önlemek için yeterlidir, bu da hücrelerin güç kaybetmediği anlamına gelir."
Ekibin bir zamanlar karşılaştığı zorluklardan biri, endüstriyel üretim için gerekli olan hacimli üretimi elde etmek için daha geniş alanların nasıl ele alınacağıydı. Fraunhofer ekibi bu sorunu çoklu ışın düzenlemesi ve paralel işlem kontrolü kullanarak çözdü: Çözümleri folyoları paralel olarak işlemek için her biri altı ışınlı dört tarayıcı kullanıyor. 250 mm genişliği kaplarlar ve sürekli olarak grafit tabakalarını işlerler. Bu çok ışınlı optik sistemin Fraunhofer ILT tarafından yan şirketi Pulsar Photonics GmbH ile yakın işbirliği içinde geliştirildiği ve uygulandığı bildirildi.
Bahsi geçen ekip tarafından yürütülen araştırma, lazer teknolojisinin hücrelerin kalitesini iyileştirmek ve üretim sürecinin sürdürülebilirliğini önemli ölçüde artırmak için dijital bir üretim süreci olarak kullanılabileceğini göstermiştir. Bir sonraki adım olarak, teknolojiyi prototip uzantılarından endüstriyel üretim hatlarına uygulamayı umuyorlar.