Čvrste baterije obećavaju veću sigurnost, veću gustoću energije i nove slobode u dizajnu ćelija. Međutim, put od laboratorijske ćelije do industrijske proizvodnje je složen. No, laserski procesi mogu prevazići ključne prepreke i omogućiti proboj.
Litij-ionske baterije su standard za električne energetske spremnike – od potrošačke elektronike preko elektromobilnosti do stacionarnih spremnika i u posljednjim godinama su prošle značajan razvoj.
Međutim, tehnologija se suočava s fizičkim granicama. Gustina energije raste samo sporo, sigurnost ostaje ograničena zbog tekućih elektrolita, a ovisnost o kritičnim sirovinama poput nikla, mangana ili kobalta nije riješena. Čvrste baterije stoga se smatraju sljedećom generacijom elektrohemijskih skladišta. Obećavaju veću gustinu energije zahvaljujući litij-metal anodama, veću sigurnost i širi temperaturni raspon zahvaljujući čvrstim elektrolitima, kao i nove slobode u konstrukciji ćelija.
Ipak, još uvijek su pred industrijskom zrelošću. Materijali poput litij-metalnog i sulfidnih elektrolyta zahtijevaju nove procesne strategije, a proizvodnja zahtijeva ulaganja u specijalizirana suha ili inertna plinovita okruženja. Ovdje laserska tehnologija može dati ključne doprinose, primjerice, kroz selektivno sinteriranje čvrstih elektrolyta, ciljno strukturiranje granica i bežično odvajanje duktilnih metala. Tako se može pokazati kao ključna tehnologija na putu od laboratorijske ćelije do industrijske čvrste baterije.
Potencijali i primjene čvrstih baterija
Brojni proizvođači trenutno unapređuju razvoj čvrstih baterija. Azijske tvrtke poput Toyote, BYD-a, Samsung SDI-a i SVOLT-a objavile su ambiciozne vremenske okvire za pilot proizvodnju od 2027. godine. Također, europski automobilski proizvođači poput Mercedes-Benza i Stellantisa zajedno s partnerima testiraju prve polu čvrste koncepte, dok Nissan već gradi pilot tvornicu u Yokohami. Ove aktivnosti pokazuju: Tehnologija sve više napušta laboratorij i približava se industrijskoj primjeni.
»Središnja prednost čvrstih baterija leži u njihovoj intrinzičnoj sigurnosti«, objašnjava fizičar Stoyan Stoyanov iz grupe Trennen Fraunhofer Instituta za lasersku tehnologiju ILT. »Budući da se oslanjaju na čvrste elektrolite, rizik od curenja ili požara uzrokovanih toplinom je eliminiran. Osim toga, visoka mehanička stabilnost mnogih čvrstih elektrolita sprječava nastanak litij-dendrita, koji su u konvencionalnim ćelijama glavni uzrok unutarnjih kratkih spojeva.«
Osim sigurnosti, posebno veća energetska gustoća potiče interes. Litij-metalne anode sa specifičnom kapacitetom od 3860 mAh g⁻¹ višestruko nadmašuju grafitne anode. U kombinaciji s tankim, čvrstim elektrolitima, mogu se postići prednosti u dometu i težini, što je odlučujući faktor za elektromobilnost i zrakoplovstvo.
Prva područja primjene nastaju tamo gdje su maksimalna sigurnost i performanse odlučujuće: u zrakoplovstvu, moto sportu, medicinskoj tehnologiji ili u visokosigurnosnim skladištima podataka. Ovdje viša energetska gustoća opravdava složenu proizvodnju.
Za masovno tržište ekonomska konkurentnost ostaje u početku ograničena. Proizvodna infrastruktura je u izgradnji, a etablirani litij-ionski sustavi se paralelno razvijaju.
»Čvrste baterije će u doglednoj budućnosti postojati paralelno s konvencionalnim litij-ionskim ćelijama i prvenstveno će služiti posebno zahtjevnim aplikacijama u automobilskoj industriji, poput tržišta luksuznih vozila«, smatra Stoyanov.
Izazovi u proizvodnji
Iako su potencijali čvrstih baterija vrlo obećavajući, prepreke za industrijsku primjenu su velike. Posebno rukovanje litij-metalnim anodama postavlja visoke zahtjeve: Materijal je privlačan zbog svoje iznimno visoke specifične kapacitete, no u obradi se pokazuje kao izuzetno osjetljiv. Jako reagira s kisikom i vlagom, lako formira pasivne slojeve i može se zapaliti pod mehaničkim opterećenjem. Konvencionalni postupci rezanja ili valjanja brzo nailaze na svoje granice.
I na strani čvrstih elektrolita javljaju se osnovne poteškoće. Oksidkeramički materijali poput litij-lantan-zirkonata (LLZO) moraju se sinterirati na oko 1200 °C. Pri tome često dolazi do gubitka litija i nusfaza koje smanjuju ionsku provodljivost. Takvi gubici nisu samo tehnološki, već i ekonomski problem, jer čine skupe sirovine neupotrebljivima. Iako se ti efekti djelomično mogu kompenzirati tzv. žrtvenim prahovima, proces ostaje složen i osjetljiv na najmanje promjene.
»Još jedna uska grla su granice između elektrolita i anode. Visoki prijelazni otpori smanjuju učinkovitost i povećavaju opasnost od nehomogenosti tijekom litijskog premazivanja i strippanja. Kontrola ove granice kemije osnova je za stabilne i dugotrajne ćelije«, objašnjava Florian Ribbeck iz grupe za funkcionalizaciju na visokim temperaturama na Fraunhofer ILT.
Osim ovih materijalno specifičnih aspekata, same proizvodne okolnosti predstavljaju veliki izazov. Čvrste baterije zahtijevaju inertne plinove ili suhe atmosfere, što zahtijeva velika ulaganja u infrastrukturu. Prve analize pokazuju da u industrijskoj proizvodnji stopa otpada može doseći do 30 posto, što dovodi do gubitaka od milijuna dnevno.
Već kod uspostavljenih litij-ionskih linija visoka stopa otpada predstavlja akutni problem. Kod čvrstih baterija ovaj se problem dodatno pojačava, jer za još nestandardizirane materijale trenutno ne postoje zatvoreni putovi recikliranja. Svaki neispravan prototip stoga ne znači samo ekonomski gubitak, već i gubitak dragocjenih sirovina. "Postupci temeljeni na laseru mogu pomoći u povećanju stabilnosti procesa i sprječavanju otpada od samog početka", kaže Ribbeck.
Lasersinteriranje čvrstih elektrolyta
Jedan istraživački pristup na Fraunhofer ILT je obrada oksidkeramičkih čvrstih elektrolyta poput LLZO. Ovaj materijal se smatra posebno obećavajućim, jer pokazuje visoku elektrohemijsku stabilnost u odnosu na litij-metal anode i u poređenju sa elektrolytima koji sadrže sumpor, manje je reaktivan prema uslovima okoline.
»Na Fraunhofer ILT istražujemo kako se lasersko zračenje može koristiti kao lokalizirani i visoko dinamični izvor energije za ciljano zbijanje LLZO slojeva«, objašnjava Florian Ribbeck. »Prednost leži u brzom zagrijavanju uz istovremeno kontrolirano hlađenje. Tako se mogu smanjiti gubici litija i izbjeći temperaturne inkompatibilnosti unutar ćelijskog skupa.«
Prvi eksperimenti pokazuju homogene kompresije, iako formiranje pukotina i delaminacije i dalje ostaju središnja tema istraživanja. Osim LLZO-a, istražuju se i NASICON-slični elektroliti poput litij-aluminij-titan-fosfata (LATP), koji imaju slične zahtjeve za proces, ali drugačija stabilnost.
Laser struktura za bolje granice površina
Osim kompresije elektrolitskih slojeva, kvaliteta granice prema litij-metalnoj anodi ključna je za performanse čvrstih ćelija. "Ovdje često dolazi do visokih prijelaznih otpora koji ograničavaju elektrohemijsko ponašanje", objašnjava Tim Rörig iz grupe za strukturiranje površina na Fraunhofer ILT izazov. "Osim toga, slaba mokraćnost keramičkih površina otežava homogenu depoziciju litija."
Rörig i Ribbeck stoga istražuju kako se granice površina mogu optimizirati ciljanim laserskim strukturiranjem. Uz ultrakratke laserske pulse u femtosekundskom području, unose mikrostrukture u površinu čvrstog elektrolita. Ove strukture povećavaju učinkovitu kontakt površinu i potiču ravnomjerniju raspodjelu struje, čime se potencijalno može smanjiti impedancija granice površine. "Pokazali smo da se reproduktivne strukture u rasponu od oko 30 µm mogu stvoriti", objašnjava Rörig.
Dosadašnji rezultati također jasno pokazuju složenost interakcije. Dok su strukturirane površine u pojedinim slučajevima pokazale poboljšano vlaženje, ukupni otpor ćelije je ponekad porastao. Istraživači pretpostavljaju da i promjene u kristalnoj strukturi i procesom uzrokovani defekti igraju ulogu.
Uz Ramanovu spektroskopiju i druge analitičke metode, istraživači trenutno karakteriziraju strukturne promjene u kristalnoj rešetki nakon laserske obrade. Paralelno istražuju ciljani Li-plating kako bi bolje kontrolirali kontaktiranje, kao i koncepte takozvanih "baterija bez anode", pri čemu se litij taloži tek tijekom prvog procesa punjenja.
Laser rezanje litij- metalnih elektroda
Jedna od glavnih točaka na Fraunhofer ILT-u je odvajanje litij-metalnih folija za upotrebu kao anodni materijal. "Litij-metal smatra se središnjom komponentom za sljedeću generaciju visokenergetskih ćelija, no predstavlja značajne izazove za tehnologiju proizvodnje", objašnjava Stoyan Stoyanov. "Materijal je mekan, visoko adhezivan i izuzetno reaktivan. Konvencionalni mehanički postupci poput valjkastih noževa ili bušenja brzo dovode do razmazivanja, lijepljenja alata i nehomogenih rubova rezanja." Osim toga, mehanički se mogu ostvariti samo linearne geometrije rezanja, što značajno ograničava fleksibilnost u rasporedu ćelija. Laserska tehnologija ovdje otvara nove mogućnosti. Kao kontaktni i bez trošenja, omogućava precizne rezove i fleksibilne konture.
Međutim, kako mehanički tako i laserski procesi zahtijevaju obradu isključivo u zatvorenim inertnim plinovima ili suhim atmosferama. Ove su nužne za sigurno rukovanje litijem, ali donose vlastite tehnološke izazove. "Argon je posebno dobar jer sprječava oksidaciju i time omogućava ravnomjerne rubove, ali je skup", objašnjava Stoyanov. "Dušik je znatno jeftiniji, ali dovodi do stvaranja litij-nitrida. Atmosfere s sadržajem vode potiču okside i hidrokside." Takvi reakcijski proizvodi povećavaju energetske potrebe procesa i mogu istovremeno pogoršati elektrohemijska svojstva elektrode.
Već se provode studije koje se fokusiraju na jeftinije procesne okoline i koje bi trebale bolje kontrolirati tijek interakcija na litijevoj površini. "Ovi pristupi su međutim još uvijek na samom početku. U našem vlastitom laboratorijskom demonstratoru stoga se oslanjamo na čistu argonsku atmosferu s točkom rosišta ispod -70 °C. Druge plinske okoline se u načelu također mogu realizirati."
Dodatni izazov je izbjegavanje čestica i prskanja koja mogu nastati tijekom laserskog procesa. Ona utječu na kvalitetu površine i dovode do nedostataka u kasnijem spoju stanica. Stoga Stoyanov i njegov tim razvijaju procesne strategije za ciljano upravljanje ablacijom i učinkovito odvođenje emisija.
Ultrakratki pulsni laseri, koji rade s vremenima trajanja pulsa u pikosekundnom rasponu, opcija su za postizanje visokokvalitetnih rubova rezanja koji su slobodni od kritičnog stvaranja brida i imaju minimalnu toplinski utjecanu zonu. Tim također istražuje tehnološki jednostavnije i ekonomski zanimljive opcije poput korištenja nanosekundnih lasera, koji omogućuju prihvatljivu kvalitetu rezanja uz niže investicijske troškove. Paralelno, istraživači rade na konceptima integracije laserskih procesa u skalabilna proizvodna okruženja, primjerice pomoću kompaktnim mini okruženjima koja se mogu ciljano ispirati inertnim plinom.
Most prema industrijskoj primjeni
Prebacivanje čvrstih baterija iz laboratorija u industrijsku proizvodnju zahtijeva ne samo nove materijale, već i ili prije svega pouzdane procese. Ovdje proizvodnja litij-ionskih ćelija predstavlja vrijednu referencu. Mnogi procesni koraci, od proizvodnje elektroda preko sastavljanja ćelija do završne obrade, načelno su usporedivi, iako su zahtjevi za čvrste ćelije znatno viši.
Laserske tehnologije već su uspostavljene u proizvodnji litij-ionskih baterija. Koriste se pri laserskom rezanju, što podrazumijeva precizno longitudinalno dijeljenje elektroda, pri laserskom sušenju, kako bi se otapala brzo i energetski učinkovito uklonila, ili pri laserskom izrezivanju, što podrazumijeva izrezivanje vodljivih elemenata. Ova iskustva se u velikoj mjeri mogu prenijeti na čvrste ćelije. Međutim, zahtjevi za preciznošću, čistoćom i stabilnošću materijala značajno se povećavaju: čak i najmanje čestice, defekti ili kemijske promjene mogu utjecati na funkciju ćelija.
»Stoga laserijski procesi nastavljaju dobivati na značaju«, vjeruje Stoyanov. »Njihovo bektaktno, selektivno unošenje energije omogućuje visoko preciznu obradu koja se može integrirati u zaštićena okruženja poput sušionica ili mini okruženja. Time laser postaje alat kojim se mogu ispuniti zahtjevi materijala, a istovremeno uzeti u obzir strogi uvjeti okoline.«
Tako se procesni lanci razvijeni u laboratoriju mogu prenijeti u industrijsku logiku. Gdje danas još uvijek dominiraju visoke stope otpada i dugi vremenski periodi pokretanja, laserski postupci mogu značajno doprinijeti osiguravanju skalabilnosti i isplativosti čvrstih baterija.
Pozicioniranje Fraunhofer ILT-a
Fraunhofer Institut za lasersku tehnologiju ILT okuplja svoje kompetencije duž cijelog lanca vrijednosti čvrstih baterija. U fokusu su laserski bazirani proizvodni koraci koji su ključni kako za razvoj materijala, tako i za kasniju industrijalizaciju. To uključuje lasersko sinteriranje čvrstih elektrolita, lasersku strukturu za optimizaciju granica, lasersko rezanje litij-metalnih folija, kao i postupke za kontaktiranje i integraciju u ćelijski sklop.
Dok dok jedna grupa istražuje svojstva i granice novih elektrolyta i anodnih materijala, drugo tim razvija postupke za obradu ovih materijala na siguran i skalabilan način. "Ova dvostruka perspektiva omogućava da se rano uspostavi veza između laboratorijske demonstracije i industrijske primjene", rezimira Ribbeck.
Ipak, čvrste baterije neće tako brzo potisnuti etablirane litij-ionske ćelije, iako otvaraju nove perspektive za primjene koje postavljaju visoke zahtjeve za sigurnost i gustoću energije. »Zrakoplovstvo, medicinska tehnologija, visoko performansna vozila ili neprekidno napajanje, takozvani UPS, za podatkovne centre i bolnice su primjeri gdje prednosti čvrstih elektrolita opravdavaju dodatne troškove«, smatra Stoyan Stoyanov. Srednjoročno do dugoročno, s opadanjem proizvodnih troškova mogao bi se ostvariti i korak prema širim tržištima.
Za Europu se ovdje ukazuje posebna prilika. Dok je masovno tržište za litij-ionske ćelije snažno obilježeno azijskim proizvođačima, u području tehnologije čvrstih tijela još ne postoji učvršćeni industrijski monopol. Tvrtke i istraživačke institucije mogu se rano pozicionirati, oblikovati standarde i izgraditi nove lance stvaranja vrijednosti.
Kontakt:
