Fabricarea bateriilor se află în centrul politicii industriale și climatice globale. Odată cu creșterea cererii mondiale de sisteme de stocare a energiei pentru mobilitatea electrică și aplicații staționare, importanța unei producții eficiente, durabile și independente din punct de vedere regional crește de asemenea.
În special, condițiile-cadru ale producției de baterii reprezintă o provocare imensă pentru companii: dependența de materii prime precum litiu, cobalt și nichel generează tensiuni geopolitice. În același timp, lanțurile de aprovizionare devin din ce în ce mai fragile din cauza crizelor globale și a creșterii costurilor de transport. Europa se confruntă așadar cu sarcina de a construi un lanț valoric rezilient, care să includă atât extracția de materii prime, cât și prelucrarea ulterioară, precum și reciclarea – până la urmă, bateriile uzate sunt cea mai bogată resursă de litiu din Germania. În plus, procesele de producție trebuie să se adapteze flexibil la noi concepte de baterii, cum ar fi bateriile cu stare solidă sau cele cu ioni de sodiu, din motive de securitate a investițiilor.
Având în vedere aceste provocări, devine clar că viitorul fabricării bateriilor în Europa poate fi asigurat doar prin utilizarea celor mai moderne tehnologii. În special, tehnologia laser oferă soluții pentru a îndeplini cerințele centrale – eficiență, precizie și durabilitate. Fie că este vorba de prelucrarea materialelor, fabricarea electrozilor sau reciclare: fără procese laser inovatoare, o producție de baterii competitivă și durabilă în Europa este greu de imaginat.
Prelucrarea materiilor prime și rafinarea materialelor ca bază
Materiale precum litiu și nichel sunt în continuare componente ale celulelor de baterie actuale. Proprietățile lor chimice și fizice permit densități energetice ridicate și durate de viață lungi, însă extragerea și prelucrarea lor aduc cu sine probleme complexe.
Însă tehnologiile bateriilor evoluează rapid, cu scopul de a minimiza utilizarea materiilor prime rare și costisitoare. CATL a prezentat deja în 2021 o baterie cu ioni de sodiu, care renunță complet la litiu și cobalt. În aprilie 2024, producătorul chinez de baterii a lansat o baterie cu fosfat de litiu și fier (LFP) fără cobalt, cu o autonomie de peste 1.000 de kilometri. În doar zece minute, aceasta poate încărca suficientă energie pentru 600 de kilometri, ceea ce corespunde unei viteze de încărcare de un kilometru pe secundă.
Toyota va începe să utilizeze baterii cu solidificare în vehiculele hibride începând cu 2025. Nissan a pus în funcțiune o instalație de producție pentru prototipuri de baterii cu solidificare laminate în Japonia. Panasonic a prezentat o baterie cu solidificare pentru drone. VW și Mercedes, Ford și BMW sunt aproape de introducerea bateriilor cu solidificare sau au încheiat parteneriate strategice.
Un punct esențial de plecare pentru noile tehnologii de baterii este prelucrarea materialelor la nivel nano, în care materiile prime sunt pregătite și funcționalizate în mod specific pentru a maximiza performanța acestora în baterii. La acest lucru lucrează departamentul de tehnologia suprafețelor și îndepărtarea formelor de la Institutul Fraunhofer pentru Tehnologia Laserului. Tehnologiile moderne cu laser permit intervenții precise în structura materialului și minimizează în același timp consumul de resurse.
Un alt exemplu pentru utilizarea de succes a tehnologiilor cu laser se regăsește în colaborarea dintre Fraunhofer ILT, catedra de tehnologie a laserului LLT de la RWTH Aachen, TRUMPF și Sincronotronul German de Electroni DESY. Prin utilizarea razelor X ale unui accelerator de particule, s-au obținut perspective mai profunde asupra proceselor de sudare cu laser. S-a demonstrat că utilizarea laserelor cu lungime de undă verde îmbunătățește utilizarea materialelor și reduce deșeurile. Aceste descoperiri oferă nu doar avantaje tehnologice, ci contribuie și la o producție mai sustenabilă.
„Aceste proiecte subliniază că tehnologia laser inovatoare nu doar că poate face față provocărilor procesării materiilor prime, ci și că poate permite o producție de baterii sustenabilă și competitivă în Europa“, explică Dr. Alexander Olowinsky, șeful departamentului de Îmbinare și Tăiere la Fraunhofer ILT.
Fabricarea electrozilor: Inovații pentru o producție durabilă
Acoperirea foliilor de conducție electrică (cupru sau aluminiu) cu materialele electrozilor pentru anodă și catodă, urmată de uscarea acestora, sunt pași esențiali care influențează atât densitatea energetică, cât și durata de viață a ciclului bateriilor. Totuși, metodele convenționale de uscare, bazate pe cuptoare de convecție, au un consum energetic semnificativ și necesită mult spațiu, ceea ce limitează sustenabilitatea și eficiența producției de baterii.
Proiectul IDEEL (Implementarea proceselor de uscare cu laser pentru producția economică și ecologică de baterii cu ion litiu), finanțat de Ministerul Federal pentru Educație și Cercetare, arată cum uscare cu laser rezolvă aceste provocări: În cadrul proiectului a fost realizată pentru prima dată uscarea anodurilor și catodurilor prin metoda roll-to-roll cu ajutorul unui laser cu diodă de înaltă performanță. Această metodă reduce semnificativ consumul de energie, dublează simultan viteza de uscare și reduce la jumătate necesarul de spațiu.
„Uscarea cu laser nu numai că permite o gestionare mai eficientă a procesului, dar contribuie și la îmbunătățirea semnificativă a bilanțului de CO₂ în producția de baterii“, explică Dr. Samuel Moritz Fink, șeful grupului de procese de peliculă subțire la Fraunhofer ILT. Fink și echipa sa au dezvoltat împreună cu partenerii de proiect un modul de uscare cu laser cu optică adaptată și monitorizare a procesului, care asigură o uscare uniformă. Această abordare oferă, de asemenea, flexibilitate: cu tehnologia laser, cuptoarele de convecție existente pot fi modernizate, facilitând implementarea în liniile de producție existente.
Într-un alt proiect de cercetare, Fraunhofer ILT utilizează o optică multistrat special dezvoltată. Aceasta împarte radiația laser în mai multe fascicule parțiale, care prelucrează simultan o bandă de 250 de milimetri lățime a unei anode de baterie cu litiu-ion. Această structurare de înaltă precizie crește densitatea energetică și capacitatea de încărcare rapidă.
Fabricarea electrozilor beneficiază de asemenea de integrarea inteligenței artificiale în procesul de producție. Cercetătorii de la Fraunhofer ILT investighează în prezent modul în care sistemele bazate pe IA pot fi utilizate pentru optimizarea parametrilor de proces. Astfel de sisteme ar putea nu doar să crească calitatea și productivitatea, ci și să pună bazele unei producții autonome.
Asamblarea celulelor: Precizie și eficiență prin tehnologii inovatoare
Pe lângă uscare, conexiunea precisă a materialelor electrozilor joacă un rol central în performanța și fiabilitatea bateriilor. Aici, sudarea cu laser la microscop a devenit o tehnologie cheie. Aceasta permite îmbinarea contactless, de înaltă precizie, a materialelor precum cuprul și aluminiul, esențiale pentru electrozii bateriilor. Datorită încărcării termice reduse, chimia delicată a celulelor rămâne intactă, în timp ce conductivitatea electrică este optimizată prin reducerea rezistențelor de trecere.
Sudarea cu laser la microscop oferă o combinație de flexibilitate și eficiență pe care metodele tradiționale de sudare nu o pot atinge.
Cerințele pentru sudarea cu laser la microscop variază în funcție de formatul celulei, deoarece fiecare tip de celulă aduce provocări specifice în ceea ce privește contactarea. Celulele cilindrice necesită o adâncime de sudură precisă, pentru a asigura pe de o parte conductivitatea electrică și, pe de altă parte, pentru a evita deteriorările cauzate de supraîncălzire. Contactarea polului negativ este deosebit de provocatoare, deoarece o încărcare termică prea mare ar putea deteriora garnitura de polimer sensibilă, ceea ce poate duce la scurgeri de electrolit. În cazul celulelor pouch, care se caracterizează printr-un design flexibil și o densitate energetică ridicată, trebuie evitate în special sudurile prin care se străpunge învelișul de folie sensibil.
O dezvoltare promițătoare în domeniul asamblării celulelor este proiectul XProLas, pe care TRUMPF îl implementează în colaborare cu Fraunhofer ILT și alți parteneri. Scopul este dezvoltarea unor surse de raze X compacte, alimentate cu laser, care să permită o verificare a calității la fața locului direct la producător, în loc de a folosi acceleratoare de particule mari, ca până acum. Această tehnologie permite analizarea celulelor de baterie în timp real, ceea ce permite monitorizarea precisă atât a proceselor de încărcare și descărcare, cât și a calității materialelor. În special, în investigarea materialului catodic, care determină în mare măsură performanța și durabilitatea unei baterii, această metodă deschide noi posibilități. "Prin utilizarea surselor de raze X strălucitoare, putem detecta impuritățile și defectele de material devreme și astfel putem reduce semnificativ timpii de dezvoltare", explică Dipl.-Ing. Hans-Dieter Hoffmann, șeful departamentului Lasere și Sisteme Optice la Fraunhofer ILT.
De asemenea, integrarea inteligenței artificiale deschide potențiale suplimentare: soluțiile bazate pe IA pot monitoriza și ajusta parametrii procesului în timp real. Astfel, abaterile pot fi identificate și corectate devreme, ceea ce creează baza pentru o producție autonomă. Viziunea unei producții „corecte din prima”, în care toate componentele sunt asamblate fără erori din prima încercare, se apropie astfel de realitate.
Producția de module și ambalaje: Eficiență și precizie prin tehnologii laser.
Ulterior, celulele individuale sunt conectate în module sau pachete. În special la nivelul modulelor, precizia joacă un rol decisiv, deoarece integrarea mai multor suduri este necesară, fără a crește sarcina termică asupra celulelor sensibile. Procesele cu laser, cum ar fi microsudura, permit o adaptare personalizată la aceste cerințe.
Una dintre inovațiile centrale ale Fraunhofer ILT este dezvoltarea de procedee care permit îmbinarea aluminiului și cuprului - ambele materiale având proprietăți fizice foarte diferite - într-un mod sigur și precis. Cu ajutorul tehnologiei moderne de ghidare a fasciculului laser, adâncimea de sudare poate fi controlată pentru a nu deteriora celulele sensibile.
»Această tehnologie este esențială pentru producția de module și pachete care trebuie să funcționeze fiabil în condiții extreme, cum ar fi curenți mari și solicitări termice«, explică Olowinsky. Un exemplu în acest sens este sudarea cu laser a unor celule cilindrice mari, care a fost dezvoltată împreună cu parteneri precum EAS Batteries GmbH la Institutul din Aachen. Se pune accent pe o interconectare stabilă și durabilă a celulelor pentru a asigura durate de viață mari și rate scăzute de defectare.
Pe lângă sudarea cu laser, s-a consolidat și lipirea cu laser, în special pentru conectarea componentelor sensibile la căldură. Acest procedeu funcționează la temperaturi mai scăzute decât metodele tradiționale de sudare și protejează astfel electronica delicată din module. Acest lucru nu doar că sporește fiabilitatea pachetelor de baterii, ci contribuie și la eficiența energetică a producției.
Managementul bateriilor și integrarea senzorilor
Managementul bateriilor este una dintre provocările centrale ale sistemelor moderne de stocare a energiei. Siguranța, durabilitatea și performanța bateriilor depind în mare măsură de aceasta – și nu în ultimul rând, acceptarea mobilității electrice. Progresele în integrarea senzorilor și utilizarea inteligenței artificiale oferă aici posibilități transformative pentru a îndeplini aceste cerințe.
Tradițional, bateriile sunt monitorizate la nivel macroscopic, ceea ce oferă însă doar perspective limitate asupra proceselor complexe din interiorul celulelor. Aici, integrarea senzorilor în timpul fabricării oferă noi posibilități. Cercetătorii de la Fraunhofer ILT imprimă senzori direct pe componente sau integrează chiar dispozitivele de măsurare inteligente. Acești senzori permit monitorizarea în timp real, cum ar fi măsurarea temperaturilor, forțelor sau chiar a schimbărilor chimice din interiorul bateriilor.
„Cu senzori fabricați aditiv, putem monitoriza continuu starea modulelor de baterii și reacționa rapid la posibilele erori“, explică Samuel Fink. Acești senzori au o grosime de doar câțiva micrometri, sunt preciși și, în același timp, rezistenți la solicitări mecanice și termice, ceea ce îi face ideali pentru utilizarea în baterii și module de baterii. Capacitatea lor de a furniza continuu date permite o întreținere predictivă (Predictive Maintenance), care identifică defectele potențiale înainte de a apărea.
Integrarea senzorilor singură nu este suficientă pentru a realiza mentenanța predictivă. Senzorii pot detecta schimbări în chimia celulelor, în timp ce algoritmii de inteligență artificială analizează aceste date și fac predicții despre durata de viață a celulelor. Cercetătorii din departamentul „Știința datelor și tehnologia măsurării” de la Fraunhofer ILT dezvoltă astfel de algoritmi susținuți de inteligența artificială, care analizează cantități mari de date din senzori în timp real. Aceste sisteme permit, de asemenea, ajustarea dinamică a proceselor, de exemplu, prin optimizarea profilurilor de temperatură în timpul asamblării celulelor sau ajustarea parametrilor de sudare cu laser.
Reciclare și reutilizare
Odată cu boom-ul tehnologiei bateriilor, crește și necesitatea unor strategii durabile pentru recuperarea materiilor prime valoroase. O economie circulară eficientă este esențială pentru a reduce dependența de materiile prime și, în același timp, pentru a minimiza impactul asupra mediului al producției de baterii.
În proiectul UE ADIR, Fraunhofer ILT dezvoltă împreună cu opt parteneri din trei țări un concept viabil de reciclare pentru dispozitive electronice. În cadrul proiectului ACROBAT, se va dezvolta un concept pentru reciclarea bateriilor cu litiu-fier-fosfat, înainte ca acestea să pătrundă pe piață în volume mari. Obiectivul proiectului este de a recupera mai mult de 90% din materialele critice. Împreună cu parteneri precum Accurec Recycling, Fraunhofer ILT lucrează la proceduri inovatoare de separare și prelucrare, care sunt atât ecologice, cât și economic durabile. Experții în laser din Aachen dezvoltă aici o metodă de caracterizare inline pentru a evalua cu precizie calitatea materialului activ.
Analiza laser-spectroscopică (LIBS) permite identificarea și separarea precisă a compozițiilor complexe de materiale. Această tehnologie dorește să fie adaptată de cercetători pentru reciclarea bateriilor uzate, pentru a îmbunătăți recuperarea metalelor precum cobaltul și tantalul. De asemenea, integrarea inteligenței artificiale poate analiza în timp real volumele mari de date din măsurătorile laser și poate deriva optimizări de proces din acestea.
Această supraveghere bazată pe inteligență artificială permite o ajustare dinamică a parametrilor de reciclare, reducând astfel deșeurile și îmbunătățind calitatea materiilor prime reciclate.
Concluzie și perspective
Producția de baterii se află în centrul tranziției către mobilitatea electrică și, prin urmare, în centrul inovațiilor care combină eficiența, durabilitatea și performanțele tehnologice de vârf. Tehnologiile și dezvoltările prezentate pe parcursul lanțului de producție arată cum cele mai moderne metode laser pot deschide calea către o industrie a bateriilor durabile și competitive – de la prelucrarea materiilor prime, la fabricarea electrozilor, până la asamblarea celulelor și reciclare.
În același timp, sistemele de analiză și control bazate pe inteligență artificială creează o nouă dimensiune a controlului proceselor, îmbunătățind calitatea producției și durabilitatea, și reducând în continuare costurile de producție.
Pe termen lung, circuitele de control bazate pe inteligență artificială pot permite o producție autonomă, în care procesele se adaptează în timp real la condiții schimbate. În plus, sursele de raze X generate de laser și tehnologiile de caracterizare inline deschid noi posibilități pentru asigurarea calității și analiza materialelor.
Contact:
