近日，來自德國亞琛弗勞恩霍夫激光技術研究所（Fraunhofer ILT）的一組研究人員開發(fā)出了兩種基于激光的制造技術，不僅可以在生產中大幅節(jié)省能源，還能制造出更高功率密度、更長使用壽命的電池。
(資料圖片)
當下，高性能電池已經(jīng)成為了實現(xiàn)交通運輸領域電氣化的關鍵先決條件。上述團隊的研究人員開發(fā)了創(chuàng)新的激光技術來生產鋰離子電池——與傳統(tǒng)生產的鋰離子電池相比，這種電池可以更快地充電，使用壽命更長。此外，他們還利用激光對電池進行干燥，使之成為一種更有效的涂層水基電極的方法。
生產鋰離子電池的關鍵步驟之一是制造石墨基電極。對于這些電極，使用卷對卷工藝在銅箔上涂上石墨膏，然后在160-180攝氏度的連續(xù)爐中干燥。燃氣驅動的連續(xù)爐（在傳送帶上輸送銅箔）除了消耗大量的能源外，還占用了大量的空間：它們通常長60-100米，在工業(yè)規(guī)模上運行時，每分鐘一般能干燥100米的銅箔。
用激光實現(xiàn)電池高效干燥
Fraunhofer ILT的研究人員開發(fā)了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)能利用二極管激光器來加速干燥過程。激光束的波長為1微米，通過特殊的光學元件放大，使電極的照射面積更大。
這些光學器件是由弗勞恩霍夫的行業(yè)合作伙伴Laserline專門為干燥系統(tǒng)設計的。弗勞恩霍夫工業(yè)技術研究所薄膜加工小組組長Samuel Fink解釋了該工藝背后的原理：“與熱風干燥工藝相反，我們的二極管激光器將高強度光束投射到涂有石墨膏的銅箔上。烏黑的石墨吸收能量。由此產生的相互作用導致石墨顆粒升溫，然后液體蒸發(fā)。”
Fraunhofer ILT的技術帶來了許多好處：與耗電的連續(xù)爐相比，二極管激光器非常節(jié)能，而且系統(tǒng)向環(huán)境釋放的熱量很少。此外，激光干燥系統(tǒng)比傳統(tǒng)的爐占用更少的空間。據(jù)Samuel Fink預測：“用二極管激光干燥將減少高達50％的能量需求，并將工業(yè)規(guī)模的干燥系統(tǒng)所需的空間減少至少60％。”
改進3D電極結構，提高了性能
除了這些優(yōu)點，F(xiàn)raunhofer ILT團隊還能夠利用激光，來提高鋰離子電池的功率密度和壽命。具有1毫焦耳脈沖能量的高功率超短脈沖激光（USP）在電池電極中引入了一個稱為通道的孔結構。這些通道就像離子的“高速公路”一樣——它們顯著地縮短了離子必須行進的距離，縮短了充電過程。同時，這可以防止出現(xiàn)缺陷，從而增加充電周期的次數(shù)，最終延長電池的使用壽命。
從理論上講，基于激光的制造孔洞結構的工藝及其對電池的積極影響都很明顯。Fraunhofer ILT的研究人員則成功將概念轉化為實踐：從實驗室到可擴展的、工業(yè)就緒的過程，使用飛秒范圍內的超短脈沖激光輻射來修改、調整電極結構。
Fraunhofer ILT表面結構團隊負責人Matthias Trenn解釋說：“激光脈沖的短相互作用時間足以燒蝕材料，但也可以防止孔熔化，這意味著電池不會損失電力。”
該團隊一度面臨的挑戰(zhàn)之一是如何處理更大的區(qū)域以實現(xiàn)工業(yè)生產所需的批量生產。弗勞恩霍夫團隊通過使用多光束排列和并行過程控制解決了這個問題：他們的方案使用了四個掃描儀，每個有六個光束，并行處理箔。它們覆蓋250毫米的寬度，并連續(xù)處理石墨層。據(jù)悉，這一多光束光學系統(tǒng)是Fraunhofer ILT與其衍生企業(yè)Pulsar Photonics GmbH進行密切合作開發(fā)和實施的。
上述團隊進行的研究表明，激光技術可以用作數(shù)字生產過程，以提高電池的質量，并顯著提高制造過程中的可持續(xù)性。下一步，他們希望將技術從原型擴展落實到工業(yè)生產線。
