Produkcja baterii znajduje się w centrum globalnej polityki przemysłowej i klimatycznej. Wraz z rosnącym na całym świecie zapotrzebowaniem na magazyny energii dla elektromobilności i zastosowań stacjonarnych rośnie również znaczenie efektywnej, zrównoważonej i niezależnej od regionu produkcji.
Szczególnie warunki produkcji baterii stawiają przedsiębiorstwom ogromne wyzwania: Zależność od surowców takich jak lit, kobalt i nikiel powoduje napięcia geopolityczne. Jednocześnie łańcuchy dostaw stają się coraz bardziej kruche z powodu globalnych kryzysów i rosnących kosztów transportu. Europa stoi więc przed zadaniem zbudowania odpornego łańcucha wartości, który obejmuje zarówno wydobycie surowców, jak i ich przetwarzanie oraz recykling – w końcu zużyte baterie są najbogatszym niemieckim źródłem litu. Dodatkowo procesy produkcyjne muszą być elastyczne i dostosowywać się do nowych koncepcji baterii, takich jak baterie stałokomorowe czy sodowo-jonowe, z powodów bezpieczeństwa inwestycji.
W obliczu tych wyzwań staje się jasne, że przyszłość produkcji baterii w Europie może być zapewniona tylko dzięki zastosowaniu najnowocześniejszych technologii. Szczególnie technika laserowa oferuje rozwiązania, które spełniają kluczowe wymagania – efektywność, precyzję i zrównoważony rozwój. Niezależnie od tego, czy chodzi o obróbkę materiałów, produkcję elektrod czy recykling: bez innowacyjnych procesów laserowych konkurencyjna i zrównoważona produkcja baterii w Europie jest niemal nie do pomyślenia.
Przygotowanie surowców i uszlachetnianie materiałów jako podstawa
Materiały takie jak lit i nikiel wciąż są składnikami aktualnych ogniw bateryjnych. Ich właściwości chemiczne i fizyczne umożliwiają wysokie gęstości energii i długą żywotność, jednak ich pozyskiwanie i przetwarzanie wiąże się złożonymi problemami.
Jednak technologie baterii rozwijają się w szybkim tempie, z celem minimalizacji użycia rzadkich i drogich surowców. CATL zaprezentował już w 2021 roku baterię sodowo-jonową, która całkowicie rezygnuje z litu i kobaltu. W kwietniu 2024 roku chiński producent baterii wprowadził baterię litowo-żelazowo-fosforanową (LFP) bez kobaltu, która ma zasięg ponad 1000 kilometrów. W zaledwie dziesięć minut może naładować wystarczającą ilość energii na 600 kilometrów, co odpowiada prędkości ładowania jednego kilometra na sekundę.
Toyota planuje wprowadzenie baterii stałoprądowych w pojazdach hybrydowych od 2025 roku. Nissan uruchomił w Japonii zakład produkcyjny prototypów laminowanych baterii stałoprądowych. Panasonic zaprezentował baterię stałoprądową dla dronów. VW, Mercedes, Ford i BMW są bliskie wprowadzenia baterii stałoprądowych lub nawiązały strategiczne partnerstwa.
Istotnym punktem wyjścia dla nowych technologii baterii jest obróbka materiałów na poziomie nano, w której surowce są celowo przetwarzane i funkcjonalizowane, aby maksymalizować ich wydajność w bateriach. W tym zakresie prowadzi badania dział technologii powierzchni i usuwania kształtów w Instytucie Fraunhofera Techniki Laserowej. Nowoczesne technologie laserowe umożliwiają precyzyjne ingerencje w strukturę materiału, jednocześnie minimalizując zużycie zasobów.
Kolejnym przykładem udanego zastosowania technologii laserowych jest współpraca między Fraunhofer ILT, Katedrą Techniki Laserowej LLT RWTH Aachen, TRUMPF oraz Niemieckim Synchrotronem Elektronowym DESY. Dzięki wykorzystaniu promieni rentgenowskich z akceleratora cząstek uzyskano głębszy wgląd w procesy spawania laserowego. Okazało się, że zastosowanie laserów o zielonej długości fali poprawia wykorzystanie materiału i redukuje odpady. Te odkrycia oferują nie tylko korzyści technologiczne, ale również przyczyniają się do bardziej zrównoważonej produkcji.
„Te projekty pokazują, że innowacyjna technika laserowa nie tylko potrafi sprostać wyzwaniom związanym z obróbką surowców, ale także umożliwia zrównoważoną i konkurencyjną produkcję baterii w Europie“ – wyjaśnia dr Alexander Olowinsky, kierownik działu Łączenia i Cięcia w Fraunhofer ILT.
Produkcja elektrod: Innowacje dla zrównoważonej produkcji
Pokrycie folii przewodzących prądu (miedź lub aluminium) materiałami elektrody dla anody i katody oraz ich późniejsze suszenie to kluczowe etapy, które wpływają zarówno na gęstość energii, jak i cykl życia baterii. Konwencjonalne metody suszenia, oparte na piecach konwekcyjnych, charakteryzują się jednak znacznym zużyciem energii i dużymi wymaganiami przestrzennymi, co ogranicza zrównoważony rozwój i efektywność produkcji baterii.
Projekt IDEEL (Wdrażanie procesów suszenia laserowego dla ekonomicznej i ekologicznej produkcji akumulatorów litowo-jonowych), finansowane przez Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań, pokazuje, jak suszenie laserowe rozwiązuje te wyzwania: W projekcie po raz pierwszy zrealizowano suszenie anod i katod w procesie rolka-rolka z wykorzystaniem wysokowydajnego lasera diodowego. Ta metoda znacznie obniża zużycie energii, jednocześnie podwajając prędkość suszenia i zmniejszając zapotrzebowanie na przestrzeń o połowę.
„Suszenie laserowe nie tylko umożliwia bardziej efektywne prowadzenie procesów, ale także przyczynia się do znaczącej poprawy bilansu CO₂ w produkcji baterii“, wyjaśnia dr Samuel Moritz Fink, kierownik grupy technologii cienkowarstwowych w Fraunhofer ILT. Fink i jego zespół wspólnie z partnerami projektu opracowali moduł suszenia laserowego z dostosowaną optyką i monitorowaniem procesu, które zapewnia równomierne suszenie. To podejście oferuje również elastyczność: istniejące piece konwekcyjne można zmodernizować za pomocą technologii laserowej, co ułatwia wdrożenie w istniejących liniach produkcyjnych.
W innym projekcie badawczym Fraunhofer ILT wykorzystuje specjalnie opracowaną optykę wielostrzałową. Dzieli ona promieniowanie laserowe na kilka częściowych promieni, które jednocześnie przetwarzają 250-milimetrową szerokość taśmy anody baterii litowo-jonowej. Ta wysokoprecyzyjna strukturyzacja zwiększa gęstość energii i zdolność do szybkiego ładowania.
Produkcja elektrod korzysta również z integracji sztucznej inteligencji w procesie wytwarzania. Naukowcy z Fraunhofer ILT obecnie badają, jak systemy wspierane przez AI mogą być wykorzystywane do optymalizacji parametrów procesów. Takie systemy mogłyby nie tylko zwiększyć jakość i wydajność, ale także stworzyć podstawy dla autonomicznej produkcji.
Zbieranie komórek: Precyzja i efektywność dzięki innowacyjnym technologiom
Oprócz suszenia elektrod, precyzyjne łączenie materiałów elektrodowych odgrywa kluczową rolę w wydajności i niezawodności baterii. W tej dziedzinie laserowe mikrowelding stało się technologią kluczową. Umożliwia bezkontaktowe, wysokoprecyzyjne łączenie materiałów, takich jak miedź i aluminium, które są niezbędne do elektrod baterii. Dzięki niskiemu obciążeniu termicznemu delikatna chemia ogniw pozostaje nienaruszona, podczas gdy przewodność elektryczna jest optymalizowana poprzez zmniejszone opory przejściowe.
Mikrospawanie laserowe oferuje połączenie elastyczności i wydajności, którego tradycyjne metody spawania nie mogą osiągnąć.
Wymagania dotyczące mikrospawania laserowego różnią się w zależności od formatu ogniwa, ponieważ każdy typ ogniwa wiąże się z określonymi wyzwaniami związanymi z kontaktowaniem. Ogniwa cylindryczne wymagają precyzyjnej głębokości spawania, aby z jednej strony zapewnić przewodnictwo elektryczne, a z drugiej strony uniknąć uszkodzeń spowodowanych przegrzaniem. Szczególnie wymagające jest kontaktowanie ujemnego bieguna, ponieważ zbyt wysoka temperatura może uszkodzić wrażliwą uszczelkę polimerową, co może prowadzić do wycieku elektrolitu. W przypadku ogniw typu pouch, które charakteryzują się elastycznym designem i wysoką gęstością energii, należy przede wszystkim unikać przebić delikatnej folii osłonowej.
Obiecujący rozwój w zakresie montażu ogniw to projekt XProLas, który TRUMPF realizuje we współpracy z Fraunhofer ILT i innymi partnerami. Celem jest opracowanie kompaktowych, laserowych źródeł rentgenowskich, które umożliwiają kontrolę jakości na miejscu, bez konieczności korzystania z dużych akceleratorów cząstek, jak miało to miejsce dotychczas. Ta technologia pozwala na analizę ogniw bateryjnych w czasie rzeczywistym, co umożliwia precyzyjne monitorowanie zarówno procesów ładowania i rozładowania, jak i jakości materiałów. Szczególnie w przypadku badania materiału katodowego, który w znacznym stopniu wpływa na wydajność i trwałość baterii, ta metoda otwiera nowe możliwości. „Dzięki zastosowaniu doskonałych źródeł rentgenowskich możemy wcześnie wykrywać zanieczyszczenia i defekty materiałowe, co znacznie skraca czas rozwoju” - wyjaśnia Dipl.-Ing. Hans-Dieter Hoffmann, kierownik działu Laserów i Systemów Optycznych w Fraunhofer ILT.
Również tutaj integracja sztucznej inteligencji otwiera dodatkowe potencjały: systemy wspierane przez AI mogą monitorować i dostosowywać parametry procesów w czasie rzeczywistym. Dzięki temu można wcześnie wykrywać i korygować odchylenia, co stanowi podstawę dla autonomicznej produkcji. Wizja produkcji „first-time-right”, w której wszystkie komponenty są montowane bezbłędnie za pierwszym razem, staje się coraz bardziej osiągalna.
Produkcja modułów i pakowania: Efektywność i precyzja dzięki technologiom laserowym
Następnie poszczególne ogniwa są łączone w moduły lub pakiety. Szczególnie na poziomie modułów precyzja odgrywa kluczową rolę, ponieważ konieczna jest integracja kilku spoin, bez zwiększania termicznego obciążenia wrażliwych ogniw. Procesy laserowe, takie jak mikrowelding, umożliwiają dostosowanie do tych wymagań.
Jedną z kluczowych innowacji Fraunhofer ILT jest opracowanie metod, które umożliwiają bezpieczne i precyzyjne łączenie aluminium i miedzi – obu materiałów o bardzo różnych właściwościach fizycznych. Dzięki nowoczesnemu prowadzeniu wiązki laserowej można kontrolować głębokość spawania, aby nie uszkodzić wrażliwych ogniw.
„Ta technologia jest niezbędna do produkcji modułów i pakietów, które muszą niezawodnie działać w ekstremalnych warunkach, takich jak wysokie prądy i obciążenia termiczne“ - wyjaśnia Olowinsky. Przykładem jest spawanie laserowe dużych cylindrycznych ogniw, które zostało rozwinięte w Instytucie Aachener wspólnie z partnerami takimi jak EAS Batteries GmbH. Zwraca się uwagę na stabilne i trwałe połączenie ogniw, aby zapewnić długą żywotność i niskie wskaźniki awarii.
Obok spawania laserowego, lutowanie laserowe zyskało na znaczeniu, szczególnie w przypadku łączenia komponentów wrażliwych na ciepło. Proces ten działa w niższych temperaturach niż tradycyjne metody spawania, co chroni wrażliwą elektronikę wewnątrz modułów. Zwiększa to nie tylko niezawodność pakietów baterii, ale także przyczynia się do efektywności energetycznej produkcji.
Zarządzanie bateriami i integracja czujników
Zarządzanie bateriami jest jednym z kluczowych wyzwań nowoczesnych systemów magazynowania energii. Bezpieczeństwo, trwałość i wydajność baterii w dużej mierze zależą od tego – a także akceptacja elektromobilności. Postępy w integracji sensorów i zastosowanie sztucznej inteligencji oferują tutaj transformacyjne możliwości, aby spełnić te wymagania.
Tradycyjnie baterie są monitorowane na makroskopowym poziomie, co jednak oferuje jedynie ograniczone wglądy w złożone procesy zachodzące wewnątrz ogniw. Tutaj integracja sensorów podczas produkcji stwarza nowe możliwości. Naukowcy z Fraunhofer ILT drukują czujniki bezpośrednio na elementach lub nawet integrują inteligentne urządzenia pomiarowe. Te czujniki umożliwiają monitorowanie w czasie rzeczywistym, takie jak pomiar temperatur, sił czy nawet zmian chemicznych wewnątrz baterii.
„Dzięki czujnikom wytwarzanym addytywnie możemy ciągłe monitorować stan modułów baterii i wcześnie reagować na możliwe usterki“ – wyjaśnia Samuel Fink. Te czujniki mają zaledwie kilka mikrometrów grubości, są precyzyjne i jednocześnie odporne na obciążenia mechaniczne i termiczne, co czyni je idealnymi do zastosowania w bateriach i modułach baterii. Ich zdolność do ciągłego dostarczania danych umożliwia przewidującą konserwację (Predictive Maintenance), która wykrywa potencjalne usterki, zanim się pojawią.
Integracja sensorów sama w sobie nie wystarcza do realizacji predykcyjnego utrzymania. Czujniki mogą wykrywać zmiany w chemii ogniw, podczas gdy algorytmy AI analizują te dane i dokonują prognoz dotyczących żywotności ogniw. Naukowcy z działu „Data Science i Technik Pomiarowych” w Fraunhofer ILT opracowują takie algorytmy wspierane przez AI, które analizują duże ilości danych z czujników w czasie rzeczywistym. Systemy te umożliwiają również dynamiczne dostosowywanie procesów, na przykład poprzez optymalizację profili temperatury podczas montażu ogniw lub dostosowywanie parametrów spawania laserowego.
Recykling i ponowne wykorzystanie
Wraz z boomem technologii baterii rośnie również potrzeba zrównoważonych strategii odzyskiwania cennych surowców. Efektywna gospodarka o obiegu zamkniętym jest niezbędna, aby zmniejszyć zależność od surowców pierwotnych, jednocześnie minimalizując wpływ produkcji baterii na środowisko.
W projekcie UE ADIR instytut Fraunhofer ILT wraz z ośmioma partnerami z trzech krajów opracowuje wykonalny koncept recyklingu urządzeń elektronicznych. W projekcie ACROBAT ma zostać opracowany koncept recyklingu baterii litowo-żelazowo-fosforanowych, zanim wejdą one na rynek w dużych ilościach. Celem projektu jest odzyskanie ponad 90 procent krytycznych materiałów. Wraz z partnerami takimi jak Accurec Recycling, instytut Fraunhofer ILT pracuje nad innowacyjnymi metodami separacji i przetwarzania, które są zarówno ekologicznie, jak i ekonomicznie zrównoważone. Eksperci z Akwizgranu opracowują tutaj metodę charakteryzacji inline, aby precyzyjnie ocenić jakość materiału aktywnego.
Analiza spektroskopowa laserowa (LIBS) umożliwia precyzyjną identyfikację i separację złożonych składów materiałowych. Naukowcy chcą dostosować tę technologię do recyklingu zużytych baterii, aby poprawić odzysk metali, takich jak kobalt i tantal. Również tutaj integracja sztucznej inteligencji może analizować duże zbiory danych z pomiarów laserowych w czasie rzeczywistym i na tej podstawie wyciągać wnioski dotyczące optymalizacji procesów.
To oparte na sztucznej inteligencji monitorowanie umożliwia dynamiczne dostosowanie parametrów recyklingu, co prowadzi do redukcji odpadów i zwiększenia jakości recyklingowanych surowców.
Podsumowanie i perspektywy
Produkcja baterii znajduje się w centrum transformacji elektromobilności i jest w związku z tym w centrum innowacji, które łączą efektywność, zrównoważony rozwój i technologiczne osiągnięcia. Prezentowane technologie i rozwój wzdłuż łańcucha produkcyjnego pokazują, jak nowoczesne metody laserowe mogą utorować drogę do zrównoważonego i konkurencyjnego przemysłu baterii – od przygotowania surowców, przez produkcję elektrod, aż po montaż ogniw i recykling.
Jednocześnie systemy analizy i sterowania oparte na sztucznej inteligencji tworzą nowy wymiar kontroli procesów, poprawiając jakość produkcji i zrównoważony rozwój oraz obniżając koszty produkcji.
W perspektywie, oparte na sztucznej inteligencji pętle regulacyjne mogą umożliwić autonomiczną produkcję, w której procesy dostosowują się w czasie rzeczywistym do zmieniających się warunków. Ponadto, napędzane laserem źródła promieniowania rentgenowskiego i technologie charakteryzacji inline otwierają nowe możliwości w zakresie zapewnienia jakości i analizy materiałów.
Kontakt:
