Proizvodnja baterija je u središtu globalne industrijske i klimatske politike. S globalno rastućom potražnjom za skladištima energije za elektromobilnost i stacionarne primjene, raste i važnost učinkovite, održive i regionalno neovisne proizvodnje.
Osobito uvjeti proizvodnje baterija predstavljaju ogromne izazove za tvrtke: Ovisnost o sirovinama poput litija, kobalta i nikla stvara geopolitičke napetosti. U isto vrijeme, opskrbni lanci postaju sve krhkiji zbog globalnih kriza i rastućih troškova transporta. Europa se suočava s zadatkom izgradnje otpornog lanca vrijednosti koji uključuje i vađenje sirovina i daljnju obradu, kao i recikliranje – uostalom, stare baterije su najplodniji njemački izvor litija. Uz to, proizvodni procesi moraju se fleksibilno prilagoditi novim konceptima baterija poput čvrstih ili natrij-ionskih baterija zbog sigurnosti ulaganja.
S obzirom na ove izazove, jasno je da se budućnost proizvodnje baterija u Europi može osigurati samo primjenom najsuvremenijih tehnologija. Osobito laserska tehnologija nudi rješenja za ispunjavanje ključnih zahtjeva – učinkovitosti, preciznosti i održivosti. Bilo da se radi o obradi materijala, proizvodnji elektroda ili recikliranju: bez inovativnih laserskih procesa teško je zamisliti konkurentnu i održivu proizvodnju baterija u Europi.
Priprema sirovina i dorada materijala kao osnova
Materijali poput litija i nikla i dalje su sastavni dijelovi aktualnih baterijskih ćelija. Njihova kemijska i fizička svojstva omogućuju visoke energetske gustoće i dug vijek trajanja, dok njihovo dobivanje i obrada donose složene probleme.
No, tehnologije baterija se brzo razvijaju s ciljem minimiziranja upotrebe rijetkih i skupih sirovina. CATL je već 2021. godine predstavio natrij-ionsku bateriju koja potpuno izbjegava litij i kobalt. U travnju 2024. kineski proizvođač baterija uveo je litij-željezo-fosfat (LFP) bateriju bez kobalta s dometom od preko 1.000 kilometara. U samo deset minuta može napuniti dovoljno energije za 600 kilometara, što odgovara brzini punjenja od jednog kilometra u sekundi.
Toyota će od 2025. godine koristiti čvrste baterije u hibridnim vozilima. Nissan je u Japanu pokrenuo proizvodni pogon za prototipove laminiranih čvrstih baterija. Panasonic je predstavio čvrstu bateriju za dronove. VW i Mercedes, Ford i BMW su na rubu uvođenja čvrstih baterija ili su sklopili strateška partnerstva.
Jedna od ključnih točaka za nove tehnologije baterija je dorada materijala na nano razini, pri čemu se sirovine ciljano obrađuju i funkcionaliziraju kako bi se maksimizirala njihova učinkovitost u baterijama. O tim pitanjima istražuje Odjel za površinsku tehnologiju i oblikovno uklanjanje na Fraunhofer institutu za lasersku tehnologiju. Moderne laserske tehnologije omogućuju precizne intervencije u strukturi materijala i istovremeno minimiziraju potrošnju resursa.
Još jedan primjer uspješne primjene laserskih tehnologija nalazi se u suradnji između Fraunhofer ILT, Katedre za lasersku tehnologiju LLT RWTH Aachen, TRUMPF-a i Njemačkog elektronskog sinkrotrona DESY. Korištenjem rendgenskih zraka iz akceleratora čestica stečeni su dublji uvidi u procese laserskog zavarivanja. Pritom se pokazalo da primjena lasera s zelenom valnom duljinom poboljšava iskorištenje materijala i smanjuje otpad. Ova saznanja ne nude samo tehnološke prednosti, već također doprinose održivijoj proizvodnji.
»Ovi projekti jasno pokazuju da inovativna laserska tehnologija ne samo da može savladati izazove obrade sirovina, već također omogućava održivu i konkurentnu proizvodnju baterija u Europi«, objašnjava dr. Alexander Olowinsky, voditelj odjela za zavarivanje i rezanje na Fraunhofer ILT.
Proizvodnja elektroda: Inovacije za održivu proizvodnju
Premazivanje provodnih folija (bakar ili aluminij) materijalima za elektrode anode i katode te njihovo naknadno sušenje ključni su koraci koji utječu na gustoću energije i cikličku životnost baterija. Međutim, konvencionalne metode sušenja koje se temelje na konvekcijskim pećima imaju značajnu potrošnju energije i zauzimaju mnogo prostora, što ograničava održivost i učinkovitost proizvodnje baterija.
Projekt IDEEL (Implementacija procesa laserskog sušenja za ekonomsku i ekološku proizvodnju litij-ionskih baterija), koje financira Savezno ministarstvo za obrazovanje i istraživanje, pokazuje kako lasersko sušenje rješava ove izazove: U projektu je po prvi put realizirano sušenje anoda i katoda u postupku role-za-role uz pomoć visokoučinkovitog diodnog lasera. Ova metoda značajno smanjuje potrošnju energije, istovremeno udvostručuje brzinu sušenja i prepolovljuje potrebu za prostorom.
»Lasersko sušenje ne samo da omogućuje učinkovitije vođenje procesa, već također doprinosi značajnom poboljšanju CO₂ bilance proizvodnje baterija«, objašnjava dr. Samuel Moritz Fink, voditelj grupe za tankoslojne procese na Fraunhofer ILT-u. Fink i njegov tim zajedno s projektnim partnerima razvili su modul za lasersko sušenje s prilagođenom optikom i nadzorom procesa, koji osigurava ravnomjerno sušenje. Ovaj pristup također nudi fleksibilnost: postojeće konvekcijske peći mogu se nadograditi laserskom tehnologijom, što olakšava implementaciju u postojeće proizvodne linije.
U drugom istraživačkom projektu, Fraunhofer ILT koristi posebno razvijenu multizrakastu optiku. Ona dijeli lasersko zračenje na nekoliko dijelova, koji istovremeno obrađuju 250 milimetara široku traku anode litij-ionske baterije. Ova visoko precizna struktura povećava gustoću energije i sposobnost brzog punjenja.
Proizvodnja elektroda također koristi od integracije umjetne inteligencije u proizvodni proces. Istraživači na Fraunhofer ILT trenutno proučavaju kako se sustavi potpomognuti AI-jem mogu koristiti za optimizaciju procesnih parametara. Takvi sustavi mogli bi ne samo dodatno povećati kvalitetu i produktivnost, već i postaviti temelje za autonomnu proizvodnju.
Stanična montaža: Preciznost i učinkovitost kroz inovativne tehnologije
Osim sušenja elektroda, precizno spajanje materijala elektroda također igra središnju ulogu u performansama i pouzdanosti baterija. Ovdje se lasersko mikrosvarivanje etabliralo kao ključna tehnologija. Omogućuje bešavno, visoko precizno spajanje materijala poput bakra i aluminija, koji su esencijalni za elektroda baterija. Zbog niske termalne opterećenosti, osjetljiva kemija ćelije ostaje netaknuta, dok se električna vodljivost optimizira smanjenim prijelaznim otporima.
Lasersko mikrolučno zavarivanje nudi kombinaciju fleksibilnosti i učinkovitosti koju tradicionalne metode zavarivanja ne mogu postići.
Zahtjevi za lasersko mikrolakiranje variraju ovisno o formatu ćelije, budući da svaka vrsta ćelije donosi specifične izazove u vezi s kontaktiranjem. Cijevne ćelije zahtijevaju preciznu dubinu zavarivanja kako bi se s jedne strane osigurala električna provodljivost, a s druge strane izbjegla oštećenja uslijed pregrijavanja. Posebno je zahtjevno kontaktiranje negativnog pola, jer preveliko toplinsko opterećenje može oštetiti osjetljivu polimernu brtvu, što može dovesti do curenja elektrolita. Kod pouch ćelija, koje se odlikuju fleksibilnim dizajnom i visokom gustoćom energije, posebno je važno izbjeći probijanje osjetljive folije.
Obećavajući razvoj u sastavljanju ćelija je projekt XProLas, koji TRUMPF provodi u suradnji s Fraunhofer ILT-om i drugim partnerima. Cilj je razvoj kompaktnog, laserom pokretanog rendgenskog izvora, koji omogućava kontrolu kvalitete na licu mjesta izravno kod proizvođača, umjesto dosadašnjeg korištenja velikih akceleratora čestica. Ova tehnologija omogućava analizu baterijskih ćelija u stvarnom vremenu, čime se precizno mogu nadzirati procesi punjenja i pražnjenja, kao i kvaliteta materijala. Osobito kod ispitivanja materijala katode, koji u velikoj mjeri određuje performanse i trajnost baterije, ova metoda otvara nove mogućnosti. "Korištenjem briljantnih rendgenskih izvora možemo rano uočiti onečišćenja i materijalne defekte, čime značajno skraćujemo vrijeme razvoja", objašnjava dipl. ing. Hans-Dieter Hoffmann, voditelj odjela za lasere i optičke sustave u Fraunhofer ILT-u.
I ovdje integracija umjetne inteligencije otvara dodatne potencijale: Sustavi podržani AI-jem mogu u stvarnom vremenu nadzirati i prilagođavati procesne parametre. Tako se odstupanja mogu rano prepoznati i ispraviti, što stvara temelje za autonomnu proizvodnju. Vizija proizvodnje "prvi put ispravno", pri čemu se svi komponente bez grešaka montiraju u prvom prolazu, tako postaje dostižna.
Modularna i pakirna proizvodnja: Učinkovitost i preciznost kroz laserske tehnologije
Nakon toga, pojedinačne ćelije se povezuju u module odnosno pakete. Posebno na razini modula preciznost igra ključnu ulogu, jer je potrebna integracija više zavarenih spojeva, bez povećanja termičkog opterećenja osjetljivih ćelija. Laserski procesi poput mikrozavarivanja omogućuju prilagodbu tim zahtjevima.
Jedna od središnjih inovacija Fraunhofer ILT-a je razvoj postupaka koji omogućuju sigurno i precizno spajanje aluminija i bakra – oba materijala s vrlo različitim fizičkim svojstvima. Pomoću najmodernijeg vođenja laserskog snopa može se kontrolirati dubina zavarivanja kako bi se osigurala zaštita osjetljivih ćelija.
»Ova tehnologija je esencijalna za proizvodnju modula i paketa koji moraju pouzdano funkcionirati pod ekstremnim uvjetima, poput visokih struja i termalnih opterećenja«, objašnjava Olowinsky. Jedan primjer za to je lasersko zavarivanje velikih cilindričnih ćelija, koje je zajedno s partnerima poput EAS Batteries GmbH dalje razvijeno na Institutu u Aachenu. Pri tome se posvećuje pažnja stabilnom i dugotrajnom povezivanju ćelija kako bi se osigurale visoke trajnosti i niske stope kvarova.
Osim laserskog zavarivanja, etabliralo se i lasersko lemljenje, posebno za povezivanje komponenti osjetljivih na toplinu. Ovaj postupak radi na nižim temperaturama od tradicionalnih zavarivačkih postupaka, čime štiti osjetljivu elektroniku unutar modula. To ne samo da povećava pouzdanost baterijskih paketa, već također doprinosi energetskoj učinkovitosti proizvodnje.
Upravljanje baterijama i integracija senzora
Upravljanje baterijama jedan je od središnjih izazova modernih sustava za pohranu energije. Sigurnost, dugovječnost i učinkovitost baterija uvelike ovise o tome – a ne manje važno, i prihvaćanje električne mobilnosti. Napredak u integraciji senzora i primjena umjetne inteligencije nude transformativne mogućnosti za ispunjavanje ovih zahtjeva.
Tradicionalno se baterije nadziru na makroskopskoj razini, što pruža samo ograničen uvid u složene procese unutar ćelija. Ovdje integracija senzora tijekom proizvodnje nudi nove mogućnosti. Istraživači na Fraunhofer ILT tiskaju senzore izravno na komponente ili čak integriraju pametne mjerače. Ovi senzori omogućuju nadzor u stvarnom vremenu, kao što su mjerenje temperatura, sila ili čak kemijskih promjena unutar baterija.
„S dodatno proizvedenim senzorima možemo kontinuirano pratiti stanje baterijskih modula i pravovremeno reagirati na moguće greške“, objašnjava Samuel Fink. Ovi senzori su debeli samo nekoliko mikrometara, precizni i istovremeno otporni na mehanička i termička opterećenja, što ih čini idealnima za upotrebu u baterijama i baterijskim modulima. Njihova sposobnost kontinuiranog pružanja podataka omogućava prediktivno održavanje (Predictive Maintenance), koje prepoznaje potencijalne kvarove prije nego što se dogode.
Integracija senzora sama po sebi nije dovoljna za realizaciju prediktivnog održavanja. Senzori mogu prepoznati promjene u kemiji ćelija, dok AI algoritmi analiziraju te podatke i donose predikcije o životnom vijeku ćelija. Istraživači s odjela "Podatkovna znanost i mjernih tehnologija" na Fraunhofer ILT razvijaju takve AI potpomognute algoritme koji u stvarnom vremenu analiziraju velike količine podataka iz senzora. Ovi sustavi također omogućuju dinamičko prilagođavanje procesa, primjerice optimizacijom temperaturnih profila tijekom sastavljanja ćelija ili prilagodbom parametara laserskog zavarivanja.
Recikliranje i ponovna upotreba
S porastom tehnologije baterija raste i potreba za održivim strategijama za povratak dragocjenih sirovina. Učinkoviti kružni ekonomski modeli su neophodni za smanjenje ovisnosti o primarnim sirovinama, dok istovremeno minimiziraju utjecaj proizvodnje baterija na okoliš.
U EU-projektu ADIR, Fraunhofer ILT u suradnji s osam projektnih partnera iz tri zemlje razvija održivu reciklažnu koncepciju za elektroničke uređaje. U projektu ACROBAT razvija se koncept za reciklažu litij-željezo-fosfat baterija prije nego što one široko prodru na tržište. Cilj projekta je povrat više od 90 posto kritičnih materijala. Zajedno s partnerima poput Accurec Recycling, Fraunhofer ILT radi na inovativnim postupcima odvajanja i obrade koji su ekološki i ekonomski održivi. Aachenski stručnjaci za lasere razvijaju ovdje inline metodu karakterizacije kako bi precizno ocijenili kvalitetu aktivnog materijala.
Laserspektroskopska analiza (LIBS) omogućuje preciznu identifikaciju i razdvajanje složenih materijalnih sastava. Ovu tehnologiju istraživači žele prilagoditi za reciklažu starih baterija kako bi dodatno poboljšali povratak metala poput kobalta i tantala. Također, integracija umjetne inteligencije može analizirati velike količine podataka iz laserskih mjerenja u stvarnom vremenu i iz njih izvesti optimizacije procesa.
Ova AI-podržana nadogradnja omogućava dinamičko prilagođavanje parametara recikliranja, čime se smanjuje otpad i povećava kvaliteta recikliranih sirovina.
Zaključak i perspektiva
Proizvodnja baterija je u središtu promjene prema električnoj mobilnosti i stoga je u fokusu inovacija koje objedinjuju učinkovitost, održivost i tehnološke vrhunske performanse. Predstavljene tehnologije i razvoj duž proizvodnog lanca pokazuju kako najmodernije laserske metode mogu otvoriti put prema održivoj i konkurentnoj industriji baterija – od obrade sirovina preko proizvodnje elektroda do sklapanja ćelija i recikliranja.
Istovremeno, AI-podržani analitički i kontrolni sustavi stvaraju novu dimenziju kontrole procesa, poboljšavajući kvalitetu proizvodnje i održivost te dodatno smanjujući troškove proizvodnje.
Perspektivno, AI-podržani regulacijski krugovi mogu omogućiti autonomnu proizvodnju u kojoj se procesi u stvarnom vremenu prilagođavaju promijenjenim uvjetima. Osim toga, laserski pokretane rendgenske izvore i inline tehnologije karakterizacije otvaraju nove mogućnosti za osiguranje kvalitete i analizu materijala.
Kontakt:
