Ievērojams enerģijas ietaupījums! Vācija izstrādā jaunu uz lāzeru balstītu risinājumu akumulatoru ražošanai

Nesen pētnieku grupa no Fraunhofera Lāzertehnoloģiju institūta (Fraunhofer ILT) Āhenē, Vācijā, izstrādāja divas uz lāzeru balstītas ražošanas tehnoloģijas, kas ļauj ne tikai ievērojami ietaupīt enerģiju ražošanā, bet arī ļauj ražot lielāku jaudas blīvumu. ilgāka mūža akumulatori.
Mūsdienās augstas veiktspējas akumulatori ir kļuvuši par galveno priekšnoteikumu transporta nozares elektrifikācijai. Iepriekš minētās komandas pētnieki izstrādāja novatorisku lāzertehnoloģiju, lai ražotu litija jonu akumulatorus, kurus var uzlādēt ātrāk un kuriem ir ilgāks kalpošanas laiks nekā parasti ražotām litija jonu baterijām. Turklāt viņi izmantoja lāzerus bateriju žāvēšanai, padarot to efektīvāku ūdens bāzes elektrodu pārklāšanai.
Viens no galvenajiem soļiem litija jonu akumulatoru ražošanā ir grafīta elektrodu izgatavošana. Šiem elektrodiem tiek izmantots ritināšanas process, lai vara foliju pārklātu ar grafīta pastu, ko pēc tam žāvē nepārtrauktā krāsnī pie 160-180 grādiem pēc Celsija. Ar gāzi darbināmas nepārtrauktas krāsnis (kuras transportē vara foliju uz konveijera lentes) aizņem daudz vietas, kā arī patērē daudz enerģijas: tās parasti ir 60-100 metrus garas un parasti var izžāvēt 100 metrus vara folijas uz vienu minūtē, strādājot rūpnieciskā mērogā.
Efektīva šūnu žāvēšana ar lāzeriem
Fraunhofer ILT pētnieki ir izstrādājuši sistēmu, kas izmanto diodes lāzeru, lai paātrinātu žāvēšanas procesu. Lāzera stara viļņa garums ir 1 mikrons, un to pastiprina īpaša optika, kas ļauj apstarot lielāku laukumu ar elektrodiem.
Optiku īpaši žāvēšanas sistēmai izstrādāja Fraunhofer nozares partneris Laserline. Semjuels Finks, Fraunhofera Rūpniecisko tehnoloģiju institūta plānslāņa apstrādes grupas vadītājs, skaidro procesa principu: "Atšķirībā no karstā gaisa žāvēšanas procesa, mūsu diožu lāzers projicē augstas intensitātes staru uz vara folijas. pārklāts ar grafīta pastu. Melnais grafīts absorbē enerģiju. Iegūtā mijiedarbība izraisa grafīta daļiņu sasilšanu, un tad šķidrums iztvaiko."
Fraunhofer ILT tehnoloģija piedāvā vairākas priekšrocības: diodes lāzers ir ļoti energoefektīvs salīdzinājumā ar enerģiju patērējošām nepārtrauktām krāsnīm, un sistēma izdala ļoti maz siltuma vidē. Turklāt lāzera žāvēšanas sistēmas aizņem mazāk vietas nekā parastās krāsnis. Pēc Samuela Finka teiktā, "žāvēšana ar diožu lāzeru samazinās enerģijas patēriņu līdz pat 50 procentiem un samazina telpu, kas nepieciešama rūpnieciska mēroga žāvēšanas sistēmām, vismaz par 60 procentiem."
Uzlabota 3D elektrodu struktūra uzlabo veiktspēju
Papildus šīm priekšrocībām Fraunhofer ILT komanda varēja izmantot lāzeru, lai palielinātu litija jonu akumulatoru jaudas blīvumu un kalpošanas laiku. Lieljaudas ultraīso impulsu lāzers (USP) ar 1 milidžoula impulsa enerģiju akumulatora elektrodā ievieš cauruma struktūru, ko sauc par kanālu. Šie kanāli darbojas kā jonu "maģistrāles" - tie ievērojami saīsina attālumu, kas joniem jānobrauc, saīsinot uzlādes procesu. Tajā pašā laikā tas novērš defektu parādīšanos, tādējādi palielinot uzlādes ciklu skaitu un galu galā pagarinot akumulatora darbības laiku.
Uz lāzeru balstītais caurumu konstrukciju izgatavošanas process un tā pozitīvā ietekme uz baterijām ir teorētiski acīmredzama, un Fraunhofer ILT pētniekiem ir izdevies šo koncepciju pārvērst praksē: no laboratorijas līdz mērogojamam, nozarei gatavam procesam, kurā tiek izmantoti īpaši īsi lāzera starojuma impulsi. femtosekundes diapazonā, lai modificētu un noregulētu elektrodu struktūras.
Matiass Trenns, Fraunhofer ILT virsmas struktūras komandas vadītājs, skaidro: "Lāzera impulsu īsie mijiedarbības laiki ir pietiekami, lai iztīrītu materiālu, bet arī novērstu caurumu kušanu, kas nozīmē, ka šūnas nezaudē jaudu."
Viens no izaicinājumiem, ar ko komanda saskārās, bija lielākas platības, lai sasniegtu rūpnieciskajai ražošanai nepieciešamo apjomu. Fraunhofera komanda atrisināja šo problēmu, izmantojot vairāku staru izkārtojumu un paralēlu procesa vadību: viņu risinājumā tiek izmantoti četri skeneri, katrs ar sešiem stariem, lai paralēli apstrādātu folijas. Tie aptver 250 mm platumu un nepārtraukti apstrādā grafīta slāņus. Tiek ziņots, ka šo daudzstaru optisko sistēmu izstrādāja un ieviesa uzņēmums Fraunhofer ILT ciešā sadarbībā ar savu atdalīto uzņēmumu Pulsar Photonics GmbH.
Iepriekš minētās komandas veiktais pētījums ir parādījis, ka lāzertehnoloģiju var izmantot kā digitālu ražošanas procesu, lai uzlabotu šūnu kvalitāti un būtiski palielinātu ražošanas procesa ilgtspējību. Kā nākamo soli viņi cer ieviest tehnoloģiju no prototipu paplašinājumiem līdz rūpnieciskajām ražošanas līnijām.