Výroba baterií je v centru globální průmyslové a klimatické politiky. S rostoucí celosvětovou poptávkou po energetických úložištích pro elektromobilitu a stacionární aplikace roste také význam efektivní, udržitelné a regionálně nezávislé výroby.
Zvláště rámcové podmínky výroby baterií představují pro firmy obrovské výzvy: Závislost na surovinách, jako je lithium, kobalt a nikl, způsobuje geopolitické napětí. Současně jsou dodavatelské řetězce kvůli globálním krizím a rostoucím nákladům na dopravu stále křehčí. Evropa tedy stojí před úkolem vybudovat odolný hodnotový řetězec, který zahrnuje jak těžbu surovin, tak jejich zpracování a recyklaci – koneckonců staré baterie jsou nejvýnosnějším německým zdrojem lithia. K tomu se navíc musí výrobní procesy z důvodů investiční bezpečnosti flexibilně přizpůsobit novým konceptům baterií, jako jsou pevné nebo sodíkové iontové baterie.
Vzhledem k těmto výzvám je jasné, že budoucnost výroby baterií v Evropě může být zajištěna pouze využitím nejmodernějších technologií. Zejména laserová technologie nabízí řešení pro splnění klíčových požadavků – efektivity, přesnosti a udržitelnosti. Ať už v materiálovém zpracování, výrobě elektrod nebo recyklaci: Bez inovativních laserových procesů je konkurenceschopná a udržitelná výroba baterií v Evropě sotva představitelná.
Zpracování surovin a úprava materiálů jako základ.
Materiály jako lithium a nikl jsou stále součástí aktuálních bateriových článků. Jejich chemické a fyzikální vlastnosti umožňují vysoké energetické hustoty a dlouhou životnost, jejich získávání a zpracování však přináší složité problémy.
Technologie baterií se však rychle vyvíjí s cílem minimalizovat použití vzácných a drahých surovin. CATL již v roce 2021 představil sodíkovou iontovou baterii, která se zcela obejde bez lithia a kobaltu. V dubnu 2024 čínský výrobce baterií uvedl na trh kobaltovou lithium-železo-fosfátovou (LFP) baterii s dojezdem přes 1 000 kilometrů. Za pouhých deset minut dokáže nabít dostatek energie na 600 kilometrů, což odpovídá rychlosti nabíjení jednoho kilometru za sekundu.
Toyota plánuje od roku 2025 zavést pevné baterie do hybridních vozidel. Nissan zahájil v Japonsku provoz prototypové výrobní linky pro laminované pevné baterie. Panasonic představil pevnou baterii pro drony. VW a Mercedes, Ford a BMW jsou na pokraji zavedení pevných baterií nebo uzavřely strategická partnerství.
Zásadním přístupem k novým bateriovým technologiím je úprava materiálů na nanoúrovni, při které jsou suroviny cíleně zpracovávány a funkčně upravovány, aby se maximalizoval jejich výkon v bateriích. Tím se zabývá oddělení povrchové techniky a tvarového obrábění na Fraunhoferově institutu pro laserovou techniku. Moderní laserové technologie umožňují přesné zásahy do materiálové struktury a zároveň minimalizují spotřebu zdrojů.
Dalším příkladem úspěšného využití laserových technologií je spolupráce mezi Fraunhofer ILT, katedrou laserové techniky LLT RWTH Aachen, TRUMPF a Německým elektronovým synchrotronem DESY. Využitím rentgenových paprsků z urychlovače částic bylo možné získat hlubší pohledy na procesy laserového svařování. Ukázalo se, že použití laserů se zelenou vlnovou délkou zlepšuje využití materiálu a snižuje množství odpadu. Tyto poznatky nabízejí nejen technologické výhody, ale také přispívají k udržitelnější výrobě.
»Tyto projekty ukazují, že inovativní laserová technologie dokáže nejen zvládnout výzvy zpracování surovin, ale také umožnit udržitelnou a konkurenceschopnou výrobu baterií v Evropě,« vysvětluje Dr. Alexander Olowinsky, vedoucí oddělení spojování a dělení na Fraunhofer ILT.
Výroba elektrod: Inovace pro udržitelnou produkci
Povrchová úprava vodičových fólií (měď nebo hliník) elektrodenovými materiály pro anodu a katodu a jejich následné sušení jsou rozhodujícími kroky, které ovlivňují jak energetickou hustotu, tak cyklickou životnost baterií. Konvenční sušící metody založené na konvekčních pecích však mají značnou spotřebu energie a vyžadují velký prostor, což omezuje udržitelnost a efektivitu výroby baterií.
Projekt IDEEL (Implementace laserového sušení pro ekonomickou a ekologickou výrobu lithium-iontových baterií), které je financováno spolkovým ministerstvem pro vzdělání a výzkum, ukazuje, jak laserové sušení řeší tyto výzvy: V projektu bylo poprvé realizováno sušení anod a katod v procesu role-za-role pomocí vysoce výkonného diodového laseru. Tato metoda výrazně snižuje spotřebu energie, zároveň zdvojnásobuje rychlost sušení a zmenšuje prostorové nároky na polovinu.
„Laserové sušení umožňuje nejen efektivnější řízení procesů, ale také přispívá k významnému zlepšení CO₂ bilance výroby baterií,“ vysvětluje Dr. Samuel Moritz Fink, vedoucí skupiny pro tenkovrstvé procesy na Fraunhofer ILT. Fink a jeho tým společně s projektovými partnery vyvinuli modul laserového sušení s přizpůsobenou optikou a monitorováním procesu, které zajišťuje rovnoměrné sušení. Tento přístup také nabízí flexibilitu: stávající konvekční pece lze doplnit laserovou technologií, což usnadňuje implementaci do stávajících výrobních linek.
V jiném výzkumném projektu využívá Fraunhofer ILT speciálně vyvinutou multikanálovou optiku. Ta rozděluje laserové záření na několik paprsků, které současně zpracovávají 250 milimetrů široký pás anody lithium-iontové baterie. Tato vysoce přesná strukturalizace zvyšuje energetickou hustotu a schopnost rychlého nabíjení.
Výroba elektrod také těží z integrace umělé inteligence do výrobního procesu. Výzkumníci na Fraunhofer ILT v současnosti zkoumají, jak mohou systémy podporované AI být využity k optimalizaci procesních parametrů. Takové systémy by mohly nejen dále zvyšovat kvalitu a produktivitu, ale také položit základy pro autonomní výrobu.
Buněčná montáž: Přesnost a efektivita díky inovativním technologiím
Kromě sušení elektrod hraje také přesné spojení materiálů elektrod klíčovou roli pro výkonnost a spolehlivost baterií. Zde se jako klíčová technologie etablovalo laserové mikrosvařování. Umožňuje bezkontaktní, vysoce přesné spojování materiálů, jako je měď a hliník, které jsou pro elektrody baterií nezbytné. Díky nízkému tepelnému zatížení zůstává citlivá chemie článků neporušena, zatímco elektrická vodivost je optimalizována sníženými přechodovými odpory.
Laserové mikrosvařování nabízí kombinaci flexibility a efektivity, kterou tradiční svařovací metody nedokážou dosáhnout.
Požadavky na laserové mikrosvařování se liší v závislosti na formátu článku, protože každý typ článku přináší specifické výzvy při kontaktování. Cylindrické články vyžadují přesnou hloubku svařování, aby byla zajištěna elektrická vodivost a zároveň se předešlo poškození způsobenému přehřátím. Obzvlášť náročné je kontaktování záporného pólu, protože příliš vysoké tepelné zatížení by mohlo poškodit citlivé polymerové těsnění, což může vést k úniku elektrolytu. U pouch článků, které se vyznačují flexibilním designem a vysokou energetickou hustotou, je třeba především zabránit prosvícení citlivého fóliového obalu.
Slibný vývoj v oblasti sestavování článků představuje projekt XProLas, který realizuje společnost TRUMPF ve spolupráci s Fraunhofer ILT a dalšími partnery. Cílem je vývoj kompaktních, laserem poháněných rentgenových zdrojů, které umožňují kvalitativní kontrolu přímo na místě u výrobce, namísto dosavadního použití velkých urychlovačů částic. Tato technologie umožňuje analyzovat bateriové články v reálném čase, což umožňuje přesné sledování jak procesů nabíjení a vybíjení, tak kvality materiálu. Zejména při zkoumání katodového materiálu, který zásadně ovlivňuje výkon a životnost baterie, otevírá tato metoda nové možnosti. „Díky použití brilantních rentgenových zdrojů můžeme včas odhalit kontaminace a materiálové defekty a tím výrazně zkrátit dobu vývoje,“ vysvětluje Dipl.-Ing. Hans-Dieter Hoffmann, vedoucí oddělení laserových a optických systémů na Fraunhofer ILT.
I zde otevírá integrace umělé inteligence další potenciály: KI-podporované systémy mohou v reálném čase sledovat a upravovat procesní parametry. Tím se dají odchylky včas rozpoznat a opravit, což vytváří základ pro autonomní výrobu. Vize výroby „první správně“, při které jsou všechny komponenty bezchybně smontovány na první pokus, se tak dostává na dosah.
Modulová a balicí výroba: Efektivita a preciznost díky laserovým technologiím
Následně jsou jednotlivé články spojeny do modulů nebo balíků. Zejména na úrovni modulů hraje přesnost rozhodující roli, protože je nutná integrace několika svárů, aniž by došlo ke zvýšení tepelného zatížení citlivých článků. Laserové procesy, jako je mikrosvařování, umožňují přizpůsobení těmto požadavkům.
Jednou z centrálních inovací Fraunhofer ILT je vývoj metod, které umožňují bezpečné a přesné spojování hliníku a mědi – obou materiálů s velmi odlišnými fyzikálními vlastnostmi. Pomocí nejmodernějšího vedení laserového paprsku lze kontrolovat hloubku svařování, aby nedošlo k poškození citlivých buněk.
„Tato technologie je nezbytná pro výrobu modulů a balení, které musí spolehlivě fungovat za extrémních podmínek, jako jsou vysoké proudy a tepelná zatížení,“ vysvětluje Olowinsky. Příkladem je laserové svařování velkých cylindrických článků, které bylo na Aachenském institutu dále vyvinuto ve spolupráci s partnery, jako je EAS Batteries GmbH. Při tom se dbá na stabilní a trvanlivé propojení článků, aby se zajistila vysoká životnost a nízké míry poruchovosti.
Kromě laserového svařování se etablovalo také laserové pájení, zejména pro spojení teplotně citlivých komponentů. Tento proces pracuje při nižších teplotách než tradiční svařovací metody a šetří tak citlivou elektroniku uvnitř modulů. To zvyšuje nejen spolehlivost bateriových bloků, ale také přispívá k energetické účinnosti výroby.
Správa baterií a integrace senzorů
Správa baterií je jednou z hlavních výzev moderních systémů ukládání energie. Bezpečnost, životnost a výkon baterií na tom zásadně závisí – a v neposlední řadě také akceptace elektromobility. Pokroky v integraci senzorů a použití umělé inteligence nabízejí transformační možnosti, jak tyto požadavky splnit.
Tradičně jsou baterie na makroskopické úrovni monitorovány, což však poskytuje pouze omezené pohledy na složité procesy uvnitř buněk. Zde nabízí integrace senzoriky během výroby nové možnosti. Výzkumníci na Fraunhofer ILT tisknou senzory přímo na součásti nebo dokonce integrují chytré měřicí přístroje. Tyto senzory umožňují monitorování v reálném čase, jako je například měření teplot, sil nebo dokonce chemických změn uvnitř baterií.
„S aditivně vyráběnými senzory můžeme kontinuálně monitorovat stav bateriových modulů a včas reagovat na možné chyby,“ vysvětluje Samuel Fink. Tyto senzory jsou pouze několik mikrometrů silné, přesné a zároveň odolné vůči mechanickému a tepelnému zatížení, což je činí ideálními pro použití v bateriích a bateriových modulech. Jejich schopnost kontinuálně poskytovat data umožňuje prediktivní údržbu, která rozpoznává potenciální defekty dříve, než se objeví.
Integrace senzoriky sama o sobě však nestačí k realizaci prediktivní údržby. Senzory mohou rozpoznat změny v chemii buněk, zatímco algoritmy umělé inteligence tyto údaje analyzují a předpovídají životnost buněk. Výzkumníci z oddělení „Data Science a měřicí technika“ na Fraunhofer ILT vyvíjejí takové algoritmy podporované umělou inteligencí, které analyzují velké objemy dat ze senzorů v reálném čase. Tyto systémy také umožňují dynamicky přizpůsobovat procesy, například optimalizací teplotních profilů během montáže buněk nebo přizpůsobením parametrů laserového svařování.
Recyklace a opětovné využití
S boomem bateriové technologie roste také potřeba udržitelných strategií pro získávání cenných surovin. Efektivní oběhové hospodářství je nezbytné pro snížení závislosti na primárních surovinách a zároveň pro minimalizaci dopadů výroby baterií na životní prostředí.
V projektu EU ADIR vyvíjí Fraunhofer ILT s osmi projektovými partnery ze tří zemí životaschopný recyklační koncept pro elektronická zařízení. V projektu ACROBAT má být vyvinut koncept pro recyklaci lithium-železo-fosfátových baterií, než se na trh dostanou ve velkém objemu. Cílem projektu je získat více než 90 procent kritických materiálů zpět. Společně s partnery jako Accurec Recycling pracuje Fraunhofer ILT na inovativních separačních a zpracovatelských postupech, které jsou ekologicky i ekonomicky udržitelné. Aachenské laserové experti zde vyvíjejí inline charakterizační metodu, aby přesně zhodnotili kvalitu aktivního materiálu.
Laserová spektroskopická analýza (LIBS) umožňuje přesnou identifikaci a separaci složitých materiálových složení. Tuto technologii chtějí výzkumníci přizpůsobit pro recyklaci starých baterií, aby například dále zlepšili získávání kovů, jako je kobalt a tantal. I zde může integrace AI analyzovat velké objemy dat z laserových měření v reálném čase a na základě toho odvodit optimalizace procesů.
Tato AI-poháněná monitorovací technologie umožňuje dynamické přizpůsobení parametrů recyklace, čímž se snižuje odpad a zvyšuje kvalita recyklovaných surovin.
Závěr a výhled
Výroba baterií stojí v centru přechodu na elektromobilitu a tím i v centru inovací, které spojují efektivitu, udržitelnost a technologické špičky. Představené technologie a vývoj podél výrobního řetězce ukazují, jak nejmodernější laserové procesy mohou otevřít cestu k udržitelné a konkurenceschopné bateriové industrii – od zpracování surovin přes výrobu elektrod až po montáž článků a recyklaci.
Současně AI-poháněné analytické a řídicí systémy vytvářejí novou dimenzi procesní kontroly, která zlepšuje kvalitu výroby a udržitelnost a dále snižuje výrobní náklady.
Z perspektivy mohou AI-poháněné regulační okruhy umožnit autonomní výrobu, ve které se procesy v reálném čase přizpůsobují změněným podmínkám. Navíc laserem poháněné rentgenové zdroje a inline charakterizační technologie otevírají nové možnosti pro zajištění kvality a analýzu materiálů.
Kontakt:
