Các tế bào pin hiệu suất cao là điều kiện tiên quyết quan trọng để điện khí hóa lĩnh vực di động. Với suy nghĩ này, các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Laser Fraunhofer ILT ở Aachen đã phát triển các công nghệ tiên tiến dựa trên tia laser để sản xuất pin lithium-ion—loại pin này, so với pin được sản xuất theo cách thông thường, có thể được sạc nhanh hơn và có thời gian sử dụng lâu hơn .
Hơn nữa, quá trình làm khô bằng tia laser trong quy trình phủ điện cực gốc nước hiệu quả hơn đáng kể. Fraunhofer ILT sẽ giới thiệu một người trình diễn để giới thiệu các công nghệ laser hướng tới tương lai của mình để sản xuất pin tại gian hàng Fraunhofer (Hội trường 16, Gian hàng A12) tại Hannover Messe 2023.
Cho dù chúng được sử dụng trong các hệ thống lưu trữ năng lượng cố định hay trong ô tô điện, xe buýt, xe đạp và xe tay ga, pin sẽ đóng vai trò trung tâm đối với tính di động của tương lai. Đây là lý do tại sao các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đang nỗ lực cải thiện công nghệ pin. Các nhà khoa học tại Fraunhofer ILT ở Aachen gần đây đã phát triển hai công nghệ sản xuất dựa trên laser giúp tiết kiệm năng lượng trong sản xuất đồng thời có thể tạo ra các tế bào pin có mật độ năng lượng cao hơn và tuổi thọ dài hơn.
Một trong những bước quan trọng trong quá trình sản xuất pin lithium-ion là sản xuất các điện cực sử dụng than chì. Đối với các điện cực này, một lá đồng được phủ một lớp bột than chì bằng quy trình cuộn và sau đó được sấy khô trong lò nung liên tục ở nhiệt độ 160 đến 180 độ C.
Ngoài việc tiêu thụ một lượng lớn năng lượng, các lò nung liên tục chạy bằng khí đốt, qua đó lá đồng được vận chuyển trên băng chuyền , chiếm rất nhiều không gian: Chúng dài từ 60 đến 100 mét và sấy khô tới 100 mét lá mỗi phút khi vận hành ở quy mô công nghiệp.
Làm khô hiệu quả bằng laser diode
Các nhà nghiên cứu tại Fraunhofer ILT hiện đã phát triển một hệ thống trong đó một tia laser diode thực hiện quá trình làm khô. Tia laser có bước sóng 1 micromet được kết hợp với một hệ thống quang học đặc biệt chiếu sáng điện cực trên một diện tích lớn. Hệ thống quang học được thiết kế đặc biệt cho hệ thống sấy bởi Laserline, đối tác trong ngành của Fraunhofer.
Samuel Fink, quản lý nhóm Xử lý màng mỏng tại Fraunhofer ILT, giải thích nguyên tắc đằng sau quy trình: "Ngược lại với quy trình sấy khô bằng không khí nóng, tia laser đi-ốt của chúng tôi chiếu một chùm tia cường độ cao lên lá đồng được phủ một lớp than chì. dán. Than chì đen tuyền hấp thụ năng lượng. Sự tương tác tạo ra làm cho các hạt than chì nóng lên và chất lỏng bay hơi."
Công nghệ Fraunhofer mang lại một số lợi ích: So với các lò nung liên tục ngốn điện, laze đi-ốt rất tiết kiệm năng lượng và hệ thống này tỏa rất ít nhiệt ra môi trường. Hơn nữa, hệ thống sấy bằng laser chiếm ít không gian hơn nhiều so với các lò nung thông thường. Fink cho biết: “Làm khô bằng laser diode sẽ giảm năng lượng cần thiết tới 50% và không gian cần thiết cho hệ thống sấy ở quy mô công nghiệp ít nhất 60%.
Cấu trúc điện cực 3D được sửa đổi để cải thiện hiệu suất
Ngoài những lợi ích này, nhóm nghiên cứu tại Fraunhofer ILT đã có thể cải thiện mật độ năng lượng và tuổi thọ của pin lithium-ion. Một lần nữa công nghệ laze lại được chú ý: trong trường hợp này, laze xung siêu ngắn công suất cao (USP) với năng lượng xung 1 milijoule đưa một cấu trúc lỗ, được gọi là các kênh, vào điện cực của pin.
Các kênh này đóng vai trò là đường cao tốc Li-ion cho các ion—chúng làm giảm đáng kể khoảng cách mà các ion phải di chuyển và rút ngắn quá trình sạc. Đồng thời, điều này ngăn ngừa lỗi xảy ra, từ đó làm tăng số chu kỳ sạc tiềm năng và cuối cùng là kéo dài tuổi thọ của pin.
Về mặt lý thuyết, cả quy trình dựa trên laser để tạo ra các cấu trúc lỗ và tác động tích cực của chúng đối với tế bào pin đều đã được biết đến. Điều mà các nhà nghiên cứu của Fraunhofer đã làm là chuyển các nguyên tắc từ phòng thí nghiệm sang một quy trình có thể mở rộng, sẵn sàng cho ngành sử dụng bức xạ laze xung cực ngắn trong phạm vi femto giây để sửa đổi các điện cực.
Matthias Trenn, trưởng nhóm Cấu trúc bề mặt tại Fraunhofer ILT, giải thích: “Thời gian tương tác ngắn của các xung laser đủ để cắt bỏ vật liệu, nhưng cũng ngăn không cho các lỗ bị nóng chảy, điều đó có nghĩa là pin không bị mất điện.
Một trong những thách thức là tìm ra cách sử dụng quy trình này trên các khu vực rộng lớn hơn để đạt được năng suất cao cần thiết cho sản xuất công nghiệp. Nhóm Fraunhofer đã giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng bố trí nhiều tia để kiểm soát quá trình song song. Bốn máy quét, mỗi máy có sáu tia nhỏ, xử lý băng song song.
Chúng có chiều rộng 250 mm và xử lý lớp than chì liên tục. Quang học đa chùm được phát triển và triển khai với sự hợp tác chặt chẽ với Pulsar Photonics GmbH, một công ty con của Fraunhofer ILT được thành lập vào năm 2013.
Nghiên cứu được thực hiện tại Fraunhofer ILT chứng minh rằng công nghệ laser có thể được sử dụng như một quy trình sản xuất kỹ thuật số để cải thiện chất lượng của tế bào pin và tăng đáng kể tính bền vững trong quá trình sản xuất. Matthias Trenn nói: “Bước tiếp theo là mở rộng quy mô công nghệ từ nguyên mẫu sang dây chuyền sản xuất công nghiệp.
