高性能电池是移动领域电气化的关键先决条件。考虑到这一点，亚琛弗劳恩霍夫激光技术研究所ILT的研究人员开发了创新的基于激光的技术来生产锂离子电池，与传统生产的锂离子电池相比，锂离子电池可以更快地充电并具有更长的使用寿命。
此外，水性电极涂层工艺中的激光干燥效率明显更高。Fraunhofer ILT将在16年汉诺威工业博览会的Fraunhofer展位（12号厅，A2023展位）展示其用于电池生产的前瞻性激光技术。
无论是用于固定式储能系统还是电动汽车、公共汽车、自行车和踏板车，电池都将在未来的交通中发挥核心作用。这就是为什么世界各地的研究人员都在努力改进电池技术。亚琛Fraunhofer ILT的科学家最近开发了两种基于激光的制造技术，既可以节省生产中的能源，又可以制造出具有更高功率密度和更长使用寿命的电池。
生产锂离子电池的关键步骤之一是使用石墨制造电极。对于这些电极，使用卷对卷工艺将铜箔涂上石墨浆，然后在160至180摄氏度的连续炉中干燥。
除了消耗大量能源外，以气体为动力的连续炉（铜箔通过传送带运输）占用大量空间：它们长 60 到 100 米，在工业规模上运行时每分钟干燥高达 100 米的箔片。
使用二极管激光器进行高效干燥
Fraunhofer ILT的研究人员现在已经开发出一种系统，其中二极管激光器执行干燥过程。波长为1微米的激光器与特殊的光学系统相结合，可在大面积上照亮电极。光学元件由弗劳恩霍夫的行业合作伙伴Laserline专门为干燥系统设计。
Fraunhofer ILT薄膜加工集团经理Samuel Fink解释了该工艺背后的原理：“与热风干燥工艺相比，我们的二极管激光器将高强度光束投射到涂有石墨浆的铜箔上。漆黑的石墨吸收能量。由此产生的相互作用导致石墨颗粒升温，液体蒸发。
弗劳恩霍夫技术具有许多优点：与耗电的连续炉相比，二极管激光器非常节能，系统向环境散发的热量非常少。此外，激光干燥系统比传统炉子占用的空间要小得多。“使用二极管激光器干燥将减少高达50%的能源，工业规模的干燥系统所需的空间至少减少60%，”Fink说。
改进的 3D 电极结构以提高性能
除了这些好处之外，Fraunhofer ILT的团队还能够提高锂离子电池的功率密度和使用寿命。激光技术再次成为人们关注的焦点：在这种情况下，具有1毫焦耳脉冲能量的高功率超短脉冲激光器（USP）将空穴结构（称为通道）引入电池电极。
这些通道充当离子的锂离子高速公路，它们显着减少了离子必须行进的距离并缩短了充电过程。同时，这可以防止缺陷的发生，从而增加潜在充电周期的次数，并最终延长电池的使用寿命。
从理论上讲，基于激光的孔结构生产工艺及其对电池单元的积极影响都是众所周知的。弗劳恩霍夫大学的研究人员所做的是将原理从实验室转移到可扩展的、工业就绪的工艺中，该过程使用飞秒范围内的超短脉冲激光辐射来修改电极。
“激光脉冲的短相互作用时间足以烧蚀材料，但也防止孔融化，这意味着电池不会失去电力，”Fraunhofer ILT表面结构团队负责人Matthias Trenn解释说。
其中一个挑战是研究如何在更大的区域使用这一过程，以实现工业生产所需的高吞吐量。弗劳恩霍夫团队通过使用多光束布置进行并行过程控制来解决这个问题。四个扫描仪，每个扫描仪有六个光束，并行处理磁带。
它们覆盖250毫米的宽度，并连续处理石墨层。多光束光学器件是与Pulsar Photonics GmbH密切合作开发和实施的，Pulsar Photonics GmbH是Fraunhofer ILT的子公司，成立于2013年。
在Fraunhofer ILT进行的研究表明，激光技术可以用作数字生产过程，以提高电池的质量并显着提高制造过程中的可持续性。“下一步是将技术从原型扩展到工业生产线，”Matthias Trenn说。
