Informacje prasowe

Od przetwarzania surowców do recyklingu: nowe podejścia w produkcji baterii

12 z 24 częściowych wiązek w uĹźyciu: Optyka opracowana przez Pulsar Photonics tworzy strukturę pasma o szerokości 300 mm anody baterii przy uĹźyciu poszczególnych częściowych wiązek. Znacznie poprawia to gęstość mocy i pojemność ładowania. © Pulsar Photonics GmbH.

Produkcja baterii leĹźy u podstaw światowej polityki przemysłowej i klimatycznej. Rzeczywiście, popyt na systemy magazynowania energii dla elektromobilności i zastosowań stacjonarnych rośnie na całym świecie, podobnie jak znaczenie wydajnej, zrównowaĹźonej i niezaleĹźnej regionalnie produkcji baterii.

W szczególności otoczenie biznesowe i regulacyjne dla produkcji baterii stawia firmy przed ogromnymi wyzwaniami: na przykład zaleĹźność od surowców, takich jak lit, kobalt i nikiel, powoduje napięcia geopolityczne. Jednocześnie łańcuchy dostaw stają się coraz bardziej kruche w miarę narastania globalnych kryzysów i wzrostu kosztów transportu. Europa stoi zatem przed zadaniem zbudowania odpornego łańcucha wartości, który obejmuje zarówno wydobycie surowców, dalsze przetwarzanie, jak i recykling – w końcu zuĹźyte baterie są najobfitszym niemieckim zasobem litu. Ponadto procesy produkcyjne muszą być elastycznie dostosowywane do nowych konstrukcji baterii, takich jak baterie półprzewodnikowe lub sodowo-jonowe, aby zabezpieczyć w nie inwestycje.

W obliczu tych wyzwań jasne jest, Ĺźe przyszłość produkcji baterii w Europie moĹźna zabezpieczyć tylko przy uĹźyciu najnowocześniejszych technologii. Technologia laserowa w szczególności oferuje rozwiązania spełniające kluczowe wymagania – wydajność, precyzję i zrównowaĹźony rozwój. Konkurencyjna i zrównowaĹźona produkcja baterii w Europie jest trudna do pomyślenia bez innowacyjnych procesów laserowych, czy to w obróbce materiałów, produkcji elektrod, czy recyklingu.

Przetwarzanie surowców i uszlachetnianie materiałów: podstawa zrównowaĹźonej produkcji baterii

Materiały takie jak lit i nikiel są nadal składnikami obecnych ogniw baterii. Ich właściwości chemiczne i fizyczne umożliwiają uzyskanie dużej gęstości energii i długiej żywotności, ale ich wydobycie i przetwarzanie stwarzają złożone problemy.

Jednak technologie baterii rozwijają się szybko, a przemysł dąży do zminimalizowania wykorzystania rzadkich i drogich surowców. Chiński producent baterii CATL zaprezentował w 2021 r. baterię sodowo-jonową, która całkowicie zrezygnowała z litu i kobaltu. W kwietniu 2024 r. CATL wprowadził na rynek baterię litowo-Ĺźelazowo-fosforanową (LFP) bez kobaltu, która moĹźe zasilać samochód przez ponad 1000 kilometrów na jednym ładowaniu. W ciągu zaledwie dziesięciu minut moĹźe naładować wystarczającą ilość energii na 600 kilometrów, co odpowiada prędkości ładowania jednego kilometra na sekundę.

Wysokowydajny laser diodowy z projektu badawczego IDEEL sprawia, Ĺźe seryjna produkcja baterii litowo-jonowych jest znacznie bardziej zrównowaĹźona i ekonomiczna dzięki procesowi roll-to-roll. © Fraunhofer ILT,

Toyota planuje stosować baterie półprzewodnikowe w pojazdach hybrydowych od 2025 r. Nissan uruchomił w Japonii prototypową fabrykę laminowanych baterii półprzewodnikowych. Panasonic zaprezentował baterię półprzewodnikową do dronów. VW i Mercedes, Ford i BMW zamierzają wprowadzić baterie półprzewodnikowe lub nawiązać strategiczne partnerstwa.

Kluczowym punktem wyjścia dla nowych technologii baterii jest udoskonalenie materiałów na poziomie nano; tutaj surowce są specjalnie przetwarzane i funkcjonalizowane, aby zmaksymalizować ich wydajność w bateriach. To właśnie bada Wydział Technologii Powierzchni i Ablacji w Instytucie Technologii Laserowej Fraunhofera. Dzięki nowoczesnym technologiom laserowym moĹźe on precyzyjnie ingerować w strukturę materiału i jednocześnie minimalizować zuĹźycie zasobów.

Innym przykładem udanego wykorzystania technologii laserowych jest współpraca między Fraunhofer ILT, Katedrą Technologii Laserowej LLT na Uniwersytecie RWTH w Akwizgranie, TRUMPF i Niemieckim Synchrotronem Elektronowym DESY. Dzięki wykorzystaniu promieni rentgenowskich z akceleratora cząstek inĹźynierowie byli w stanie uzyskać głębszy wgląd w procesy spawania laserowego. Wykazali, Ĺźe stosowanie laserów o zielonej długości fali poprawia wykorzystanie materiału i zmniejsza ilość odpadów. Ich odkrycia nie tylko oferują zalety technologiczne, ale równieĹź przyczyniają się do bardziej zrównowaĹźonej produkcji.

Aurora Powertrains zleciła Fraunhofer ILT opracowanie dostosowanego systemu spawania laserowego dla modułowego, skalowalnego akumulatora skutera śnieĹźnego. Wodoodporny i pyłoszczelny akumulator o klasie IP67 ma gęstość energii ponad 190 Wh/kg. © Aurora Powertrains.

„Projekty te pokazują, Ĺźe innowacyjna technologia laserowa moĹźe nie tylko przezwyciężyć wyzwania związane z przetwarzaniem surowców, ale takĹźe umoĹźliwić zrównowaĹźoną i konkurencyjną produkcję baterii w Europie” — wyjaśnia dr Alexander Olowinsky, kierownik działu łączenia i cięcia w Fraunhofer ILT.

Produkcja elektrod: innowacje dla zrównowaĹźonej produkcji

Obecne folie przewodzące (miedziane lub aluminiowe) muszą zostać pokryte materiałami elektrodowymi dla anody i katody, a następnie wysuszone – kluczowe kroki, które wpływają zarówno na gęstość energii, jak i cykl Ĺźycia baterii. Konwencjonalne procesy suszenia oparte na piecach konwekcyjnych zuĹźywają jednak znaczną ilość energii i wymagają duĹźej ilości miejsca, co ogranicza zrównowaĹźony rozwój i wydajność produkcji baterii.

Projekt IDEEL (Implementation of Laser Drying Processes for Economical & Ecological Lithium-Ion Battery Production), finansowany przez niemieckie Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań Naukowych, pokazuje, w jaki sposób suszenie laserowe rozwiązuje te problemy: W ramach projektu anody i katody zostały po raz pierwszy wysuszone w procesie roll-to-roll przy uĹźyciu lasera diodowego o duĹźej mocy. Ta metoda znacznie zmniejsza zuĹźycie energii, podwaja prędkość suszenia i zmniejsza o połowę wymaganą przestrzeń.

„Suszenie laserowe nie tylko umoĹźliwia bardziej efektywną kontrolę procesu, ale takĹźe pomaga znacznie zmniejszyć ślad węglowy produkcji baterii” — wyjaśnia dr Samuel Moritz Fink, kierownik grupy Thin-Film Processing w Fraunhofer ILT. Wraz z partnerami projektu Fink i jego zespół opracowali moduł suszenia laserowego z dostosowaną optyką i monitorowaniem procesu, aby zapewnić równomierne suszenie. To podejście oferuje równieĹź elastyczność: istniejące piece konwekcyjne moĹźna doposaĹźyć w technologię laserową, co ułatwia wdroĹźenie innowacyjnego procesu na istniejących liniach produkcyjnych.

W innym projekcie badawczym Fraunhofer ILT wykorzystuje specjalnie opracowaną optykę wielowiązkową. Ten zespół optyczny dzieli wiązkę laserową na kilka częściowych wiązek, które jednocześnie przetwarzają 250-milimetrową wstęgę anody baterii litowo-jonowej. Ta wysoce precyzyjna struktura zwiększa gęstość energii i poprawia zdolność szybkiego ładowania.

 
Spawanie laserowe ogniw baterii niebieskim laserem. © Fraunhofer ILT

Produkcja elektrod równieĹź korzysta z integracji sztucznej inteligencji z procesem produkcyjnym. Naukowcy z Fraunhofer ILT badają obecnie, w jaki sposób systemy wspierane przez AI mogą być wykorzystywane do optymalizacji parametrów procesu. Takie systemy mogą nie tylko dalej zwiększać jakość i produktywność, ale takĹźe stanowić podstawę autonomicznej produkcji.

Montaż ogniw: precyzja i wydajność dzięki innowacyjnym technologiom

Oprócz suszenia elektrod, precyzyjne łączenie materiałów elektrodowych odgrywa równieĹź kluczową rolę w wydajności i niezawodności akumulatorów. Mikrospawanie laserowe ugruntowało swoją pozycję jako kluczowa technologia, poniewaĹź moĹźe łączyć materiały takie jak miedĹş i aluminium, niezbędne do elektrod akumulatorów, bez ich dotykania i z wysoką precyzją. Dzięki niskiemu obciążeniu termicznemu wraĹźliwa chemia ogniwa pozostaje nienaruszona, a przewodnictwo elektryczne jest zoptymalizowane dzięki zmniejszonej rezystancji styku. Mikrospawanie laserowe zapewnia połączenie elastyczności i wydajności, których tradycyjne procesy spawania nie mogą dorównać.

Wymagania dotyczące mikrospawania laserowego róĹźnią się w zaleĹźności od formatu ogniwa, poniewaĹź kaĹźdy typ ogniwa stwarza specyficzne wyzwania, jeśli chodzi o kontakt. Ogniwa cylindryczne wymagają precyzyjnej głębokości spawania, aby zapewnić przewodnictwo elektryczne, z jednej strony, a z drugiej, aby zapobiec uszkodzeniom spowodowanym przegrzaniem. Kontakt z biegunem ujemnym stwarza szczególne wyzwania, poniewaĹź nadmierne ciepło moĹźe uszkodzić wraĹźliwe uszczelnienie polimerowe, co moĹźe skutkować wyciekiem elektrolitu. W przypadku ogniw kieszeniowych, które charakteryzują się elastyczną konstrukcją i wysoką gęstością energii, naleĹźy unikać spawania przez delikatną powłokę foliową.

 
Wahacz samochodowy z nadrukowanym czujnikiem siły mierzy siły działające podczas uĹźytkowania w dowolnym momencie i rejestruje najmniejsze pęknięcia, które pojawiają się przed rozwinięciem się wady. © Fraunhofer ILT

Jednym z obiecujących osiągnięć w zakresie montaĹźu ogniw jest projekt XProLas, który TRUMPF realizuje we współpracy z Fraunhofer ILT i innymi partnerami. Ich celem jest opracowanie kompaktowych, laserowo napędzanych Ĺşródeł promieniowania rentgenowskiego, które umoĹźliwiają przeprowadzanie testów jakości na miejscu bezpośrednio w siedzibie producenta, zamiast stosowania duĹźych akceleratorów cząstek, jak to miało miejsce wcześniej. Ta nowa technologia umoĹźliwia analizę ogniw baterii w czasie rzeczywistym, umoĹźliwiając precyzyjne monitorowanie zarówno procesów ładowania i rozładowywania, jak i jakości materiału. Ta metoda otwiera nowe moĹźliwości, zwłaszcza gdy konieczne jest zbadanie materiału katody; materiał ten decyduje o wydajności i trwałości baterii. „Dzięki zastosowaniu doskonałych Ĺşródeł promieniowania rentgenowskiego moĹźemy wykryć zanieczyszczenia i wady materiału na wczesnym etapie, a tym samym znacznie skrócić czas rozwoju”, wyjaśnia Dipl.-Ing. Hans-Dieter Hoffmann, kierownik Działu Laserów i Systemów Optycznych w Fraunhofer ILT.

RównieĹź tutaj integracja sztucznej inteligencji otwiera dodatkowy potencjał: systemy wspierane przez AI mogą monitorować i dostosowywać parametry procesu w czasie rzeczywistym. Dzięki temu odchylenia moĹźna wykryć i skorygować na wczesnym etapie, tworząc podstawę autonomicznej produkcji. Wizja produkcji „first-time-right”, w której wszystkie komponenty są montowane bez błędów w pierwszym przebiegu, jest zatem w zasięgu ręki.

Produkcja modułów i pakietów: wydajność i precyzja dzięki technologiom laserowym

Następnie poszczególne ogniwa są łączone w celu utworzenia modułów lub pakietów. Precyzja odgrywa decydującą rolę na poziomie modułu, w szczególności, poniewaĹź konieczne jest zintegrowanie kilku spoin bez zwiększania obciążenia cieplnego wraĹźliwych ogniw. Procesy laserowe, takie jak mikrospawanie, umoĹźliwiają uĹźytkownikom dostosowanie procesów do tych wymagań w sposób dostosowany do indywidualnych potrzeb.

Jedną z kluczowych innowacji Fraunhofer ILT jest opracowanie procesów, które moĹźna wykorzystać do bezpiecznego i precyzyjnego łączenia aluminium i miedzi — dwóch materiałów o bardzo róĹźnych właściwościach fizycznych. Wykorzystując najnowocześniejsze prowadzenie wiązki laserowej, inĹźynierowie instytutu mogą kontrolować głębokość spawania, aby nie uszkodzić wraĹźliwych ogniw.

Struktury techniczne i dowolny kształt geometryczny moĹźna nanieść na wafel za pomocą druku atramentowego, podczas gdy funkcjonalizacja jest przeprowadzana za pomocą promieniowania laserowego. Poszczególne elementy głośnika są następnie oddzielane i integrowane w środowisku elektronicznym. © Fraunhofer ILT

„Ta technologia jest niezbędna do produkcji modułów i pakietów, które muszą niezawodnie działać w ekstremalnych warunkach, takich jak wysokie prądy i obciążenia cieplne” — wyjaśnia Olowinsky. Jednym z przykładów jest spawanie laserowe duĹźych cylindrycznych ogniw, które instytut z siedzibą w Akwizgranie nadal rozwija wspólnie z partnerami, takimi jak EAS Batteries GmbH. Tutaj zwracają uwagę na generowanie stabilnego i trwałego połączenia między ogniwami, aby zapewnić długą Ĺźywotność i niskie wskaĹşniki awaryjności.

Oprócz spawania laserowego, lutowanie laserowe stało się powszechne, szczególnie w przypadku łączenia elementów wraĹźliwych na ciepło. Proces ten działa w niĹźszych temperaturach niĹź tradycyjne metody spawania, a tym samym chroni wraĹźliwą elektronikę wewnątrz modułów, dzięki czemu nie tylko akumulatory są bardziej niezawodne, ale takĹźe produkcja jest bardziej energooszczędna.

Zarządzanie bateriami i integracja czujników: inteligencja dla przyszłościowych systemów baterii

Zarządzanie bateriami jest jednym z głównych wyzwań współczesnych systemów magazynowania energii. Bezpieczeństwo, trwałość i wydajność baterii zależą w duĹźej mierze od tego – a nie w ostatniej kolejności od akceptacji elektromobilności. Postęp w integracji czujników i wykorzystanie sztucznej inteligencji zapewniają transformacyjne moĹźliwości spełnienia tych wymagań.

Tradycyjnie baterie są monitorowane na poziomie makroskopowym, ale oferuje to jedynie ograniczony wgląd w złoĹźone procesy zachodzące w ogniwach. To właśnie tutaj integracja technologii czujników podczas produkcji oferuje nowe moĹźliwości. Naukowcy z Fraunhofer ILT drukują czujniki bezpośrednio na komponentach, a nawet integrują z nimi inteligentne urządzenia pomiarowe. Czujniki te umoĹźliwiają monitorowanie w czasie rzeczywistym, takie jak pomiar temperatur, sił, a nawet zmian chemicznych w bateriach podczas uĹźytkowania.

„Dzięki czujnikom wytwarzanym metodą addytywną moĹźemy stale monitorować stan modułów baterii i reagować na potencjalne wady na wczesnym etapie” – wyjaśnia Samuel Fink. Te czujniki mają grubość zaledwie kilku mikrometrów, są precyzyjne i odporne na naprężenia mechaniczne i termiczne, co czyni je idealnymi do stosowania w akumulatorach i modułach akumulatorowych. Ich zdolność do dostarczania ciągłych danych umoĹźliwia konserwację predykcyjną, która wykrywa potencjalne wady, zanim wystąpią.

Bezkontaktowe naświetlanie i odlutowywanie elementów płytki drukowanej przy uĹźyciu promieniowania laserowego w procesie recyklingu projektu „ADIR”. © Fraunhofer ILT

Jednak sama integracja technologii czujników nie wystarczy do wdroĹźenia konserwacji predykcyjnej. Czujniki mogą wykrywać zmiany w chemii ogniw, podczas gdy algorytmy AI analizują te dane i przewidują Ĺźywotność ogniw. Naukowcy z Działu Nauki o Danych i Technologii Pomiarowych w Fraunhofer ILT opracowują takie algorytmy obsługiwane przez AI, które analizują duĹźe ilości danych z czujników w czasie rzeczywistym. Systemy te umoĹźliwiają równieĹź dynamiczną adaptację procesów, na przykład poprzez optymalizację profili temperaturowych podczas montaĹźu ogniw lub dostosowywanie parametrów spawania laserowego.

Recykling i ponowne wykorzystanie: droga do gospodarki o obiegu zamkniętym w technologii baterii

Wraz z boomem w technologii baterii rośnie równieĹź potrzeba zrównowaĹźonych strategii odzyskiwania cennych surowców. Efektywna gospodarka o obiegu zamkniętym jest niezbędna, aby zmniejszyć zaleĹźność od surowców pierwotnych, jednocześnie minimalizując wpływ produkcji baterii na środowisko.

W ramach projektu UE ADIR, Fraunhofer ILT współpracuje z ośmioma partnerami projektu z trzech krajów w celu opracowania koncepcji zrównowaĹźonego recyklingu urządzeń elektronicznych. Projekt ACROBAT ma na celu opracowanie planu recyklingu baterii litowo-Ĺźelazowo-fosforanowych przed ich wprowadzeniem na rynek na dużą skalę. Celem projektu jest odzyskanie ponad 90 procent krytycznych materiałów. Wraz z partnerami, takimi jak Accurec Recycling, Fraunhofer ILT pracuje nad innowacyjnymi metodami separacji i przetwarzania, które są zarówno ekologiczne, jak i ekonomiczne. Eksperci od laserów w Akwizgranie opracowują metodę charakterystyki inline w celu precyzyjnej oceny jakości materiału aktywnego.

Dzięki własnemu procesowi spektroskopii przebicia indukowanego laserowo (LIBS), instytut moĹźe precyzyjnie identyfikować i oddzielać złoĹźone składy materiałów. Naukowcy chcą dostosować tę technologię do recyklingu zuĹźytych baterii, aby jeszcze bardziej usprawnić odzyskiwanie metali, takich jak kobalt i tantal. Tutaj równieĹź sztuczna inteligencja moĹźe zostać zintegrowana w celu analizy duĹźych ilości danych z pomiarów laserowych i optymalizacji procesu w czasie rzeczywistym. Ten wspierany przez sztuczną inteligencję monitoring umoĹźliwia dynamiczną regulację parametrów recyklingu, co zmniejsza ilość odpadów i zwiększa jakość surowców poddawanych recyklingowi.

Wnioski i perspektywy

Produkcja baterii jest sercem transformacji elektromobilności, a zatem przedmiotem innowacji łączących wydajność, zrównowaĹźony rozwój i doskonałość technologiczną. Technologie i osiągnięcia zaprezentowane w całym łańcuchu produkcyjnym pokazują, w jaki sposób najnowocześniejsze procesy laserowe mogą utorować drogę dla zrównowaĹźonego i konkurencyjnego przemysłu baterii: od przygotowania surowców i produkcji elektrod po montaĹź i recykling ogniw. Jednocześnie systemy analizy i sterowania wspomagane przez sztuczną inteligencję tworzą nowy wymiar kontroli procesów, który poprawia jakość produkcji i zrównowaĹźony rozwój oraz dodatkowo obniĹźa koszty produkcji.

 
Wykorzystanie laserów i sztucznej inteligencji do zrównowaĹźonej produkcji akumulatorów: opłacalna i niezawodna produkcja. © Fraunhofer ILT

W przyszłości pętle sterowania wspomagane przez sztuczną inteligencję mogłyby umoĹźliwić autonomiczną produkcję, w której procesy dostosowują się do zmieniających się warunków w czasie rzeczywistym. Ponadto Ĺşródła promieniowania rentgenowskiego sterowane laserowo i technologie charakteryzacji inline otwierają nowe moĹźliwości w zakresie zapewnienia jakości i analizy materiałów.

Ĺšródło:  Fraunhofer ILT