A akkumulátorgyártás a globális ipari és klímapolitika középpontjában áll. A világon növekvő energiatárolási igények, amelyek az elektromobilitásra és a helyhez kötött alkalmazásokra vonatkoznak, egyre fontosabbá teszik a hatékony, fenntartható és regionálisan független termelést.
Különösen kihívások elé állítja a vállalatokat az akkumulátor-termelés kereteinek megteremtése: Az olyan nyersanyagoktól, mint a lítium, kobalt és nikkel való függőség geopolitikai feszültségeket okoz. Ugyanakkor a globális válságok és a növekvő szállítási költségek miatt a beszállítói láncok egyre törékenyebbé válnak. Európának tehát az a feladata, hogy egy ellenálló értékteremtési láncot építsen ki, amely magában foglalja a nyersanyagkitermelést, a feldolgozást és a hasznosítást – végül is a használt akkumulátorok a legbőségesebb német lítiumforrást jelentik. Továbbá a gyártási folyamatokat a beruházási biztonság érdekében rugalmasan kell tudni alkalmazni az új akkumulátorkoncepciókhoz, mint például a szilárdtest- vagy nátrium-ion akkumulátorokhoz.
Ezeket a kihívásokat figyelembe véve világossá válik, hogy az európai akkumulátorgyártás jövője csak a legmodernebb technológiák alkalmazásával biztosítható. Különösen a léztechnikák kínálnak megoldásokat a központi követelmények – hatékonyság, precizitás és fenntarthatóság – teljesítésére. Legyen szó anyagfeldolgozásról, elektródák gyártásáról vagy újrahasznosításról: innovatív lézerei folyamatok nélkül alig képzelhető el versenyképes és fenntartható akkumulátorgyártás Európában.
Nyersanyag-előkészítés és anyagfinomítás mint alap.
Az olyan anyagok, mint a lítium és a nikkel továbbra is a jelenlegi akkumulátorcellák részei. Kémiai és fizikai tulajdonságaik lehetővé teszik a magas energiasűrűséget és a hosszú élettartamot, azonban a kitermelésük és feldolgozásuk összetett problémákat okoz.
Akkumulátor-technológiák azonban gyors ütemben fejlődnek, célul tűzve a ritka és drága nyersanyagok felhasználásának minimalizálását. A CATL már 2021-ben bemutatott egy nátrium-ion akkumulátort, amely teljesen mentes a lítiumtól és kobalttól. 2024 áprilisában a kínai akkumulátorgyártó egy kobaltmentes lítium-vas-foszfát (LFP) akkumulátort vezetett be, amelynek hatótávolsága meghaladja az 1.000 kilométert. Mindössze tíz perc alatt elegendő energiát tud tölteni 600 kilométerre, ami egy kilométer per másodperces töltési sebességnek felel meg.
A Toyota gyár 2025-től szilárdtest-akkumulátorokat fog alkalmazni hibrid járművekben. A Nissan Japánban üzembe helyezett egy prototípus-gyártó üzemet laminált szilárdtest-akkumulátorok számára. A Panasonic bemutatott egy szilárdtest-akkumulátort drónokhoz. A VW és a Mercedes, a Ford és a BMW hamarosan bevezeti a szilárdtest-akkumulátorokat, vagy stratégiai partnerségeket alakítottak ki.
A új akkumulátortechnológiák egyik lényeges megközelítési pontja a nano szintű anyagfinomítás, amely során az alapanyagokat célzottan dolgozzák fel és funkcionálják, hogy maximálják teljesítményüket az akkumulátorokban. Ezen dolgozik a Fraunhofer Lézertechnikai Intézet Felülettechnikai és Formakivágó Osztálya. A modern léztechnológiák lehetővé teszik az anyagszerkezet precíz beavatkozását, miközben minimalizálják az erőforrás-felhasználást.
Egy újabb példa a léztechnológiák sikeres alkalmazására a Fraunhofer ILT, a RWTH Aachen Léztechnikai Tanszéke (LLT), a TRUMPF és a Német Elektron-Szinkrotron (DESY) közötti együttműködésben található. A részecskegyorsító röntgensugárzásának felhasználásával mélyebb betekintést nyertek a lézerhegesztési folyamatokba. Kiderült, hogy a zöld hullámhosszú lézerek alkalmazása javítja az anyagkihasználást és csökkenti a selejtet. Ezek a megállapítások nemcsak technológiai előnyöket kínálnak, hanem hozzájárulnak a fenntarthatóbb gyártáshoz is.
»Ezek a projektek világossá teszik, hogy az innovatív léztechnika nemcsak a nyersanyag-előkészítés kihívásait képes megoldani, hanem fenntartható és versenyképes akkumulátorgyártást is lehetővé tesz Európában« – mondja Dr. Alexander Olowinsky, a Fraunhofer ILT Fűzés és Vágás Osztályának vezetője.
Elektrodák gyártása: Innovációk a fenntartható termelésért
A vezetőfóliák (réz vagy alumínium) bevonása az anód és katód elektródanyagaival, valamint azok utólagos szárítása döntő lépések, amelyek befolyásolják az akkumulátorok energiasűrűségét és ciklusélettartamát. A hagyományos szárítási eljárások, amelyek konvekciós kemencékre épülnek, azonban jelentős energiafogyasztással és nagy helyigénnyel rendelkeznek, ami korlátozza az akkumulátorgyártás fenntarthatóságát és hatékonyságát.
A Szövetségi Oktatási és Kutatási Minisztérium által támogatott IDEEL projekt (Lézeres szárítási folyamatok megvalósítása gazdaságos és ökológiai lítium-ion akkumulátor gyártásához) bemutatja, hogyan oldja meg a lézerszárítás ezeket a kihívásokat: A projekt keretében először valósították meg az anódok és katódok szárítását tekercsről tekercsre eljárással nagy teljesítményű diódalézer segítségével. Ez a módszer jelentősen csökkenti az energiafogyasztást, ugyanakkor megduplázza a szárítási sebességet és a helyigényt a felére csökkenti.
»A lézeres szárítás nemcsak hatékonyabb folyamatirányítást tesz lehetővé, hanem hozzájárul a akkumulátor-termelés CO₂-kibocsátásának jelentős javításához is« - magyarázza Dr. Samuel Moritz Fink, a Fraunhofer ILT vékonyfilm-technológiai csoportvezetője. Fink és csapata a projektpartnerekkel közösen egy olyan lézeres szárítómodult fejlesztett ki, amely testreszabott optikával és folyamatfigyeléssel rendelkezik, biztosítva ezzel az egyenletes szárítást. Ez a megközelítés emellett rugalmasságot is kínál: a meglévő konvekciós kemencék lézertechnológiával utólagosan felszerelhetők, ami megkönnyíti a meglévő gyártósorokba való integrálást.
Egy másik kutatási projektben a Fraunhofer ILT egy különösen kifejlesztett multikibocsátó optikát használ. Ez a lézersugárzást több részsugárra osztja, amelyek egyidejűleg egy 250 milliméter széles sávot dolgoznak fel egy lítium-ion akkumulátor anódján. Ez a nagy pontosságú struktúrázás növeli az energiasűrűséget és a gyors töltési képességet.
Az elektródák gyártása szintén profitál a mesterséges intelligencia integrálásából a gyártási folyamatba. A Fraunhofer ILT kutatói jelenleg azt vizsgálják, hogyan lehet a mesterséges intelligencia által támogatott rendszereket a folyamatparaméterek optimalizálására alkalmazni. Az ilyen rendszerek nemcsak a minőség és a termelékenység további növelését szolgálhatják, hanem az autonóm gyártás alapját is megteremthetik.
Sejtösszeszerelés: Precizitás és hatékonyság innovatív technológiák révén
Az elektródák szárítása mellett az elektródanyagtípusok precíz összekapcsolása is központi szerepet játszik az akkumulátorok teljesítményében és megbízhatóságában. Itt a lézer-mikroszegecselés mint kulcstechnológia alakult ki. Ez lehetővé teszi az érintkezés nélküli, nagy pontosságú anyagok összekapcsolását, mint például a réz és az alumínium, amelyek elengedhetetlenek az akkumulátor elektródákhoz. A kis hőterhelésnek köszönhetően az érzékeny cellakémia sértetlen marad, míg az elektromos vezetőképesség a csökkentett átmeneti ellenállások révén optimalizálódik.
A lézer-mikrohegesztés olyan rugalmasságot és hatékonyságot kínál, amelyet a hagyományos hegesztési eljárások nem tudnak elérni.
A lézer-mikroszegecselés követelményei a cellaformától függően változnak, mivel minden cellatípus specifikus kihívásokat jelent a kapcsolódás során. A hengeres cellák pontos hegesztési mélységet igényelnek, hogy egyrészt biztosítsák az elektromos vezetőképességet, másrészt elkerüljék a túlhevülés miatti károsodásokat. Különösen kihívást jelent a negatív pólus kapcsolódása, mivel a túl magas hőterhelés károsíthatja az érzékeny polimertömítést, ami az elektrolit szivárgásához vezethet. A pouch cellák esetében, amelyek rugalmas kialakításukkal és magas energiasűrűségükkel tűnnek ki, különösen kerülni kell az érzékeny fóliaburkolat átszegezését.
Egy ígéretes fejlesztés a sejtösszeszerelés terén az XProLas projekt, amelyet a TRUMPF a Fraunhofer ILT-vel és további partnerekkel együtt valósít meg. A cél kompakt, lézerrel működő röntgenforrások kifejlesztése, amelyek lehetővé teszik a minőségellenőrzést a gyártónál, a korábbi nagy részecskegyorsítók használata helyett. Ez a technológia lehetővé teszi az akkumulátorcellák valós idejű elemzését, így pontosan nyomon követhetők mind a töltési és kisütési folyamatok, mind az anyagminőség. Különösen a katódanyag vizsgálatánál, amely alapvetően meghatározza az akkumulátor teljesítményét és élettartamát, ez a módszer új lehetőségeket nyit meg. »A ragyogó röntgenforrások alkalmazásával korán észlelhetjük a szennyeződéseket és anyaghibákat, így jelentősen lerövidíthetjük a fejlesztési időket« - magyarázza Dipl.-Ing. Hans-Dieter Hoffmann, a Fraunhofer ILT Lézer- és Optikai Rendszerek Osztályának vezetője.
Itt is a mesterséges intelligencia integrációja további lehetőségeket teremt: A KI-alapú rendszerek valós időben képesek figyelni és módosítani a folyamatparamétereket. Így a eltérések korán észlelhetők és kijavíthatók, ami az autonóm gyártás alapját képezi. A „First-time-right” gyártás víziója, ahol minden komponens hibátlanul kerül összeszerelésre az első körben, így elérhető közelségbe kerül.
Modul- és csomaggyártás: Hatékonyság és precizitás lézertechnológiákkal
A következő lépésben az egyes cellákat modulokká vagy csomagokká kapcsolják össze. Különösen a modul szintjén a precizitás döntő szerepet játszik, mivel több hegesztési varrat integrálása szükséges anélkül, hogy növelnénk az érzékeny cellák hőterhelését. A lézeres folyamatok, mint például a mikroszegecselés, lehetővé teszik, hogy ezeket az igényeket testreszabott módon kielégítsük.
A Fraunhofer ILT egyik központi innovációja olyan eljárások kifejlesztése, amelyek lehetővé teszik az alumínium és a réz – mindkét anyag nagyon eltérő fizikai tulajdonságokkal rendelkezik – biztonságos és precíz összekapcsolását. A legmodernebb lézersugár-vezetés segítségével ellenőrizhető a hegesztési mélység, hogy ne sérüljenek a kényes cellák.
»Ez a technológia elengedhetetlen a modulok és csomagok gyártásához, amelyeknek szélsőséges körülmények között, mint például magas áramok és hőterhelések mellett megbízhatóan kell működniük«, magyarázza Olowinsky. Erre példa a nagy hengeres cellák lézerhegesztése, amelyet az Aacheni Intézetben partnerekkel, például az EAS Batteries GmbH-val közösen fejlesztettek tovább. Kiemelt figyelmet fordítanak a cellák stabil és tartós kapcsolására, hogy magas élettartamot és alacsony meghibásodási arányt biztosítsanak.
A lézerhegesztés mellett a lézerragasztás is elterjedt, különösen hőérzékeny komponensek összekapcsolására. Ez a folyamat alacsonyabb hőmérsékleten működik, mint a hagyományos hegesztési eljárások, így kíméli a modulokban található érzékeny elektronikát. Ez nemcsak a akkumulátorcsomagok megbízhatóságát növeli, hanem hozzájárul a termelés energiahatékonyságához is.
Akkumanagement és érzékelőintegráció
A akkumulátor-kezelés a modern energiatároló rendszerek egyik központi kihívása. Az akkumulátorok biztonsága, tartóssága és teljesítménye nagymértékben függ ettől – és nem utolsósorban az elektromobilitás elfogadottságától. Az érzékelő-integrációban elért előrelépések és a mesterséges intelligencia alkalmazása átalakító lehetőségeket kínál ezen követelmények teljesítésére.
Hagyományosan a akkumulátorokat makroszkopikus szinten figyelik, ami azonban csak korlátozott betekintést nyújt a sejtek belső, összetett folyamataiba. Itt új lehetőségeket kínál a szenzorok integrálása a gyártás során. A Fraunhofer ILT kutatói közvetlenül alkatrészekre nyomtatják a szenzorokat, vagy akár be is építik az okos mérőeszközöket. Ezek a szenzorok lehetővé teszik a valós idejű megfigyelést, például a hőmérsékletek, erők vagy akár a kémiai változások mérését az akkumulátorokban.
„Az additív gyártású érzékelőkkel folyamatosan nyomon tudjuk követni az akkumulátor modulok állapotát, és időben reagálhatunk a lehetséges hibákra“ - magyarázza Samuel Fink. Ezek az érzékelők mindössze néhány mikrométer vastagok, precízek és egyben ellenállóak a mechanikai és hőterhelésekkel szemben, ami ideálissá teszi őket az akkumulátorok és akkumulátor modulok használatára. Folyamatos adatgyűjtési képességük lehetővé teszi a prediktív karbantartást, amely észleli a potenciális hibákat, mielőtt azok bekövetkeznének.
A szenzorika integrációja önmagában azonban nem elegendő a prediktív karbantartás megvalósításához. A szenzorok képesek észlelni a sejtek kémiai összetételének változásait, míg a mesterséges intelligencia algoritmusok ezeket az adatokat elemzik és előrejelzéseket készítenek a sejtek élettartamáról. A Fraunhofer ILT „Adattudomány és Méréstechnika” részlegének kutatói olyan mesterséges intelligencia-alapú algoritmusokat fejlesztenek, amelyek valós időben elemzik a szenzorokból származó nagy mennyiségű adatot. Ezek a rendszerek lehetővé teszik a folyamatok dinamikus módosítását is, például a hőmérsékleti profilok optimalizálásával a sejtek összeszerelése során vagy a lézerhegesztési paraméterek beállításával.
Újrahasználat és újrahasznosítás
A akkumulátortechnika fellendülésével egyre nagyobb szükség van fenntartható stratégiákra az értékes nyersanyagok visszanyerésére. Egy hatékony körforgásos gazdaság elengedhetetlen a primer nyersanyagoktól való függőség csökkentéséhez, miközben minimalizálja az akkumulátorgyártás környezeti hatásait.
Az EU ADIR projekt keretében a Fraunhofer ILT nyolc projektpartnerével három országból fenntartható újrahasznosítási koncepciót dolgoz ki elektronikai eszközök számára. Az ACROBAT projekt célja, hogy kidolgozzon egy koncepciót lítium-vas-foszfát akkumulátorok újrahasznosítására, mielőtt azok széles körben elérik a piacot. A projekt célja, hogy a kritikus anyagok több mint 90%-át visszanyerje. Az Accurec Recycling-hoz hasonló partnerekkel együtt a Fraunhofer ILT innovatív szeparáló és feldolgozó eljárásokon dolgozik, amelyek ökológiailag és gazdaságilag is fenntarthatóak. Az aacheni lézerekkel foglalkozó szakértők itt egy inline karakterizáló módszert fejlesztenek ki, hogy pontosan értékeljék az aktív anyag minőségét.
A lézerspektroszkópos elemzés (LIBS) lehetővé teszi a komplex anyagösszetételek pontos azonosítását és elkülönítését. Ezt a technológiát a kutatók az elhasználódott akkumulátorok újrahasznosításához kívánják alkalmazni, hogy például a kobalt és tantál fémek visszanyerését tovább javítsák. Itt is a mesterséges intelligencia integrálása képes valós időben elemezni a lézeres mérésekből származó nagy adatállományokat, és ebből folyamatoptimalizálásokat levonni.
Ez a mesterséges intelligenciával támogatott megfigyelés lehetővé teszi a hulladékcsökkentés és a újrahasznosított nyersanyagok minőségének javítása érdekében a újrahasznosítási paraméterek dinamikus beállítását.
Összegzés és kilátások
Az akkumulátorgyártás az elektromobilitás átmenetének középpontjában áll, és így az innovációk fókuszában, amelyek az hatékonyságot, fenntarthatóságot és technológiai csúcsteljesítményeket egyesítenek. A bemutatott technológiák és fejlesztések a gyártási lánc mentén azt mutatják, hogyan tudják a legmodernebb lézermódszerek megnyitni az utat egy fenntartható és versenyképes akkumulátoripar felé - a nyersanyag-előkészítéstől kezdve az elektródák gyártásán át a cella-összeszerelésig és az újrahasznosításig.
Ugyanakkor a mesterséges intelligenciával támogatott elemző és vezérlőrendszerek új dimenziót teremtenek a folyamatellenőrzésben, amely javítja a gyártási minőséget és a fenntarthatóságot, valamint tovább csökkenti a gyártási költségeket.
A jövőben a mesterséges intelligenciával támogatott szabályozási körök lehetővé tehetik az autonóm gyártást, ahol a folyamatok valós időben alkalmazkodnak a megváltozott körülményekhez. Ezen kívül a lézer által hajtott röntgenforrások és az inline karakterizáló technológiák új lehetőségeket nyitnak a minőségbiztosítás és anyagvizsgálat terén.
Kapcsolat:
