近日，來自德國(guó)亞琛弗勞恩霍夫激光技術(shù)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(shù)，不僅可以在生產(chǎn)中大幅節(jié)省能源，還能制造出更高功率密度、更長(zhǎng)使用壽命的電池。
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當(dāng)下，高性能電池已經(jīng)成為了實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸領(lǐng)域電氣化的關(guān)鍵先決條件。上述團(tuán)隊(duì)的研究人員開發(fā)了創(chuàng)新的激光技術(shù)來生產(chǎn)鋰離子電池——與傳統(tǒng)生產(chǎn)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(zhǎng)。此外，他們還利用激光對(duì)電池進(jìn)行干燥，使之成為一種更有效的涂層水基電極的方法。
生產(chǎn)鋰離子電池的關(guān)鍵步驟之一是制造石墨基電極。對(duì)于這些電極，使用卷對(duì)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?xì)怛?qū)動(dòng)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(zhǎng)60-100米，在工業(yè)規(guī)模上運(yùn)行時(shí)，每分鐘一般能干燥100米的銅箔。
用激光實(shí)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(zhǎng)為1微米，通過特殊的光學(xué)元件放大，使電極的照射面積更大。
這些光學(xué)器件是由弗勞恩霍夫的行業(yè)合作伙伴L(zhǎng)aserline專門為干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。弗勞恩霍夫工業(yè)技術(shù)研究所薄膜加工小組組長(zhǎng)Samuel Fink解釋了該工藝背后的原理：“與熱風(fēng)干燥工藝相反，我們的二極管激光器將高強(qiáng)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(chǎn)生的相互作用導(dǎo)致石墨顆粒升溫，然后液體蒸發(fā)。”
Fraunhofer ILT的技術(shù)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(yù)測(cè)：“用二極管激光干燥將減少高達(dá)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(jìn)3D電極結(jié)構(gòu)，提高了性能
除了這些優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)raunhofer ILT團(tuán)隊(duì)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(gè)稱為通道的孔結(jié)構(gòu)。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(jìn)的距離，縮短了充電過程。同時(shí)，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(zhǎng)電池的使用壽命。
從理論上講，基于激光的制造孔洞結(jié)構(gòu)的工藝及其對(duì)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(zhuǎn)化為實(shí)踐：從實(shí)驗(yàn)室到可擴(kuò)展的、工業(yè)就緒的過程，使用飛秒范圍內(nèi)的超短脈沖激光輻射來修改、調(diào)整電極結(jié)構(gòu)。
Fraunhofer ILT表面結(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Matthias Trenn解釋說：“激光脈沖的短相互作用時(shí)間足以燒蝕材料，但也可以防止孔熔化，這意味著電池不會(huì)損失電力。”
該團(tuán)隊(duì)一度面臨的挑戰(zhàn)之一是如何處理更大的區(qū)域以實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)所需的批量生產(chǎn)。弗勞恩霍夫團(tuán)隊(duì)通過使用多光束排列和并行過程控制解決了這個(gè)問題：他們的方案使用了四個(gè)掃描儀，每個(gè)有六個(gè)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(xué)系統(tǒng)是Fraunhofer ILT與其衍生企業(yè)Pulsar Photonics GmbH進(jìn)行密切合作開發(fā)和實(shí)施的。
上述團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的研究表明，激光技術(shù)可以用作數(shù)字生產(chǎn)過程，以提高電池的質(zhì)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(shù)從原型擴(kuò)展落實(shí)到工業(yè)生產(chǎn)線。
