Bateriile cu stare solidă promit mai multă siguranță, o densitate energetică mai mare și noi grade de libertate în designul celulelor. Totuși, drumul de la celula de laborator la producția industrială este complex. Totuși, procesele cu laser pot depăși obstacolele centrale și pot permite o avansare.
Bateriile cu litiu-ion sunt standardul pentru stocarea energiei electrice – de la electronice de consum la mobilitate electrică și până la stocuri staționare și au trecut printr-o dezvoltare remarcabilă în ultimii ani.
Însă tehnologia se confruntă cu limite fizice. Densitatea de energie crește doar lent, siguranța rămâne restricționată din cauza electroliților lichizi, iar dependența de materii prime critice precum nichel, mangan sau cobalt rămâne nerezolvată. Bateriile cu stare solidă sunt considerate, prin urmare, următoarea generație de stocare electrochimică. Acestea promit densități de energie mai mari datorită anodurilor din litiu-metal, o siguranță mai mare și o fereastră de temperatură mai largă datorită electroliților solizi, precum și noi grade de libertate în construcția celulelor.
Încă se află însă în fața maturizării industriale. Materiale precum metalul de litiu și electroliții care conțin sulf necesită noi strategii de proces, iar fabricația necesită investiții în medii specializate de uscare sau gaze inerte. Aici, tehnologia laser poate contribui decisiv, de exemplu, prin sinterizarea selectivă a electroliților solizi, structurarea țintită a interfețelor și separarea fără contact a metalelor ductile. Astfel, aceasta se poate dovedi a fi o tehnologie cheie pe drumul de la celula de laborator la bateria solidă industrială.
Potenziale și aplicații ale bateriilor cu solid.
Numeroase companii producătoare avansează în prezent dezvoltarea celulelor cu solidificare. Companii asiatice precum Toyota, BYD, Samsung SDI și SVOLT au publicat planuri ambițioase pentru producția pilot începând cu 2027. De asemenea, producători europeni de automobile precum Mercedes-Benz și Stellantis testează împreună cu partenerii lor primele concepte semi-solid-state, în timp ce Nissan a început deja construcția unei fabrici pilot la Yokohama. Aceste activități arată: tehnologia părăsește din ce în ce mai mult laboratorul și se apropie de implementarea industrială.
»Avantajul central al bateriilor cu solide constă în siguranța lor intrinsecă«, explică fizicianul Stoyan Stoyanov din grupul de separare al Institutului Fraunhofer pentru Tehnologia Laser ILT. »Deoarece renunță la electroliții lichizi, riscul de scurgeri sau evenimente de incendiu cauzate termic este eliminat. În plus, stabilitatea mecanică ridicată a multor electroliți solizi inhibă formarea dendriților de litiu, care în celulele convenționale sunt principala cauză a scurtcircuitelor interne.«
Pe lângă siguranță, în special densitatea energetică mai mare stimulează interesul. Anodele din metal litiu cu o capacitate specifică de 3860 mAh g⁻¹ depășesc cu mult anodele din grafit. În combinație cu electroliți solizi subțiri, se pot obține avantaje în ceea ce privește autonomia și greutatea, un factor decisiv pentru mobilitatea electrică și aviație.
Primele domenii de aplicare apar acolo unde siguranța și performanța maximă sunt esențiale: în industria aerospațială, în motorsport, în tehnologia medicală sau în stocarea de date cu înaltă securitate. Aici, densitatea energetică mai mare justifică fabricația complexă.
Pentru piața de masă, competitivitatea economică rămâne inițial limitată. Infrastructura de producție este în dezvoltare, iar sistemele de litiu-ion deja stabilite continuă să evolueze în paralel.
„Bateriile cu solid vor fi disponibile în paralel cu celulele convenționale cu litiu-ion pentru o perioadă previzibilă și vor deservi în special aplicații foarte exigente în industria auto, cum ar fi piața vehiculelor de lux“, spune Stoyanov.
Provocări în producție
Atât de promițătoare sunt potențialele bateriilor cu solide, cât de mari sunt obstacolele în implementarea industrială. În special, manipularea anodurilor din litiu-metal impune cerințe ridicate: Materialul este atractiv datorită capacității sale specifice extrem de ridicate, dar se dovedește a fi extrem de sensibil în procesare. Reacționează puternic cu oxigenul și umiditatea, formează ușor straturi pasive și se poate aprinde sub sarcină mecanică. Procedeele convenționale de tăiere sau laminare se lovesc rapid de limitele lor aici.
De asemenea, pe partea electroliților solizi apar dificultăți fundamentale. Materialele ceramice oxidice, cum ar fi litiu-lantan-zirconat (LLZO), trebuie sinterizate la aproximativ 1200 °C. În acest proces, pierderile de litiu și fazele secundare sunt frecvente, ceea ce reduce conductivitatea ionic. Astfel de pierderi reprezintă nu doar o problemă tehnologică, ci și una economică, deoarece fac materiile prime costisitoare inutilizabile. Deși aceste efecte pot fi parțial compensate cu ajutorul așa-numitelor pulberi de sacrificiu, procesul rămâne complex și sensibil la cele mai mici fluctuații.
»O altă gâtuitură este interfața între electrolit și anodă. Rezistențele de tranziție ridicate reduc performanța și cresc riscul de inhomogenități în timpul plăcii și decapării litiului. Stăpânirea acestei chimii de interfață este baza pentru celule stabile și durabile«, explică Florian Ribbeck din grupul de Funcționalizare la Înaltă Temperatură de la Fraunhofer ILT.
Pe lângă acești factori specifici materialelor, condițiile de producție în sine reprezintă o mare provocare. Bateriile cu solid necesită în mod constant atmosfere de gaz inert sau de spațiu uscat, ceea ce implică investiții mari în infrastructură. Primele analize arată că în timpul creșterii industriale pot apărea rate de rebut de până la 30%, ceea ce duce la pierderi de milioane pe zi.
Chiar și în cazul liniilor de litiu-ion deja stabilite, rata ridicată de rebuturi reprezintă o problemă acută. La celulele cu solid, această problemă se agravează, deoarece pentru materialele care nu sunt încă standardizate nu există până acum căi de reciclare închise. Fiecare prototip defect înseamnă, așadar, nu doar daune economice, ci și pierderea de materii prime valoroase. „Procedeele bazate pe laser pot contribui aici la creșterea stabilității procesului și la evitarea rebuturilor încă de la început“, spune Ribbeck.
Sinterizarea cu laser a electroliților solizi
O abordare de cercetare la Fraunhofer ILT este procesarea electroliților ceramici oxidici, cum ar fi LLZO. Acest material este considerat deosebit de promițător, deoarece prezintă o stabilitate electrochimică ridicată în raport cu anodurile din metal de litiu și, comparativ cu electroliții pe bază de sulf, este mai puțin reactiv în raport cu condițiile de mediu.
„La Fraunhofer ILT investigăm cum poate fi utilizată radiația laser ca sursă de energie localizată și de înaltă dinamică pentru a compacta stratificările LLZO“, explică Florian Ribbeck. „Avantajul constă în încălzirea rapidă, în timp ce răcirea este controlată. Astfel, se pot reduce pierderile de litiu și evita incompatibilitățile de temperatură în cadrul ansamblului celular.“
Primele experimente arată densificări omogene, deși formarea fisurilor și delaminările rămân în continuare un subiect central de cercetare. Pe lângă LLZO, se investighează electroliți de tip NASICON, cum ar fi fosfatul de litiu-aluminiu-titan (LATP), care au cerințe de proces similare, dar feronii de stabilitate diferite.
Structurarea cu laser pentru interfețe mai bune
Pe lângă compactarea straturilor de electrolit, calitatea interfeței cu anodul din metal de litiu este esențială pentru performanța celulelor solide. „Aici apar adesea rezistențe de trecere mari, care limitează comportamentul electrochimic”, explică Tim Rörig din grupul de structurare a suprafețelor de la Fraunhofer ILT provocarea. „În plus, umiditatea scăzută a suprafețelor ceramice îngreunează depunerea omogenă a litiului.”
Rörig și Ribbeck investighează, prin urmare, cum pot fi optimizate interfețele prin structurarea laser direcționată. Cu impulsuri laser ultracurte în domeniul femtosecundelor, ei introduc microstructuri în suprafața electrolitului solid. Aceste structuri cresc suprafața de contact efectivă și favorizează o distribuție mai uniformă a curentului, ceea ce ar putea reduce potențial impedanța interfețelor. „Am demonstrat că se pot genera structuri reproducibile în domeniul de aproximativ 30 µm”, explică Rörig.
Rezultatele anterioare subliniază totuși complexitatea interacțiunii. În timp ce suprafețele structurate au arătat în unele cazuri o umectare îmbunătățită, rezistența totală a celulei a crescut uneori. Cercetătorii suspectează că atât modificările structurii cristaline, cât și defectele cauzate de proces joacă un rol.
Cercetătorii caracterizează în prezent modificările structurale din rețeaua cristalină după prelucrarea cu laser, folosind spectroscopie Raman și alte metode analitice. În paralel, ei investighează depunerea controlată de Li pentru a îmbunătăți controlul contactării, precum și concepte de așa-numite „baterii fără anod”, în care litiul este depus abia în timpul primei procese de încărcare.
Tăierea cu laser a electrozilor metalici de litiu
Un alt punct de interes la Fraunhofer ILT se concentrează pe separarea foliilor de metal litiu pentru utilizarea ca material anodic. „Metalul litiu este considerat o componentă centrală pentru următoarea generație de celule de înaltă energie, dar prezintă provocări semnificative în tehnologia de fabricație”, explică Stoyan Stoyanov. „Materialul este moale, foarte aderenț și extrem de reactiv. Procedeele mecanice convenționale, cum ar fi tăierea cu roți sau perforarea, duc rapid la pete, lipirea uneltelor și margini de tăiere inhomogene.” În plus, doar geometria de tăiere liniară poate fi realizată mecanic, ceea ce limitează semnificativ flexibilitatea în aranjamentul celulelor. Tehnologia laser deschide aici noi posibilități. Ca un proces fără contact și fără uzură, permite tăieturi precise și contururi flexibile.
Însă atât procesele mecanice, cât și cele bazate pe laser necesită o prelucrare exclusiv în atmosfere închise de gaz inert sau uscat. Acestea sunt esențiale pentru manipularea în siguranță a litiului, dar aduc cu sine provocări tehnologice proprii. „Argonul este deosebit de potrivit, deoarece previne oxidarea și permite astfel margini uniforme, dar este costisitor”, explică Stoyanov. „Azotul este mult mai ieftin, dar duce la formarea de nitruri de litiu. Atmosferele cu conținut de apă favorizează în schimb oxizii și hidroxizii.” Aceste produse de reacție cresc cerințele energetice ale procesului și pot, de asemenea, să degradeze proprietățile electrochimice ale electrodului.
Deși există deja studii care vizează medii de proces mai rentabile și care ar trebui să controleze mai bine interacțiunile de la suprafața litiului, „aceste abordări sunt încă la început. De aceea, în propriul nostru demonstrator de laborator, ne bazăm pe o atmosferă pură de argon cu un punct de rouă sub -70 °C. Alte medii gazoase pot fi, de asemenea, realizate în principiu.”
O provocare suplimentară constă în evitarea particulelor și stropilor care pot apărea în timpul procesului cu laser. Acestea afectează calitatea suprafeței și duc la defecte în conexiunea ulterioară a celulelor. De aceea, Stoyanov și echipa sa dezvoltă strategii de proces pentru a controla în mod țintit ablația și pentru a elimina emisiile eficient.
Laserele cu impulsuri ultracurte, care funcționează cu durate de impuls în domeniul picosecundelor, sunt o opțiune pentru a obține margini de tăiere de înaltă calitate, libere de formarea critică a bavurilor și cu o zonă minimă afectată de căldură. Echipa investighează, de asemenea, opțiuni tehnologice mai ușor de integrat și din punct de vedere economic interesante, cum ar fi utilizarea laserelor cu nanosecunde, care permit o calitate acceptabilă a tăierii cu costuri de investiție mai mici. În paralel, cercetătorii lucrează la concepte pentru integrarea proceselor laser în medii de producție scalabile, de exemplu, folosind mini-ambienturi compacte care pot fi spălate selectiv cu gaz inert.
Podul către implementarea industrială
Transferul bateriilor cu solide din laborator în producția industrială necesită nu doar materiale noi, ci și, sau mai ales, procese rezistente. Aici, producția de celule litiu-ion oferă o referință valoroasă. Multe etape de proces, de la fabricarea electrozilor, la asamblarea celulelor și până la prelucrarea finală, sunt în principiu comparabile, deși cerințele pentru celulele cu solide sunt semnificativ mai ridicate.
Tehnologiile laser sunt deja stabilite în fabricarea bateriilor cu litiu-ion. Acestea sunt utilizate în procesul de tăiere cu laser, adică în tăierea precisă pe lungime a foliilor de electrozi, în uscare cu laser, pentru a elimina rapid și eficient solventul, sau în procesul de decupare cu laser, pentru a crea orificii în conductoarele de curent. Aceste experiențe pot fi aplicate în mare măsură și la celulele cu solid. Totuși, cerințele privind precizia, puritatea și stabilitatea materialului cresc semnificativ: chiar și cele mai mici particule, defecte sau modificări chimice pot afecta funcționarea celulelor.
„De aceea, procesele cu laser câștigă tot mai multă importanță“, crede Stoyanov. „Introducerea de energie selectivă, fără contact, permite o prelucrare de înaltă precizie, care poate fi integrată în medii protejate, cum ar fi camerele de uscare sau mini-mediile. Astfel, laserul devine un instrument care poate îndeplini atât cerințele materialelor, cât și condițiile stricte de mediu.“
Astfel, lanțurile de procese dezvoltate în laborator pot fi transferate într-o logică industrială. Acolo unde astăzi domină încă rate mari de rebuturi și timpi lungi de pornire, metodele bazate pe laser pot contribui decisiv la asigurarea scalabilității și rentabilității bateriilor cu solid.
Poziționarea Fraunhofer ILT
Institutul Fraunhofer pentru Tehnologia Laserilor ILT își concentrează competențele pe întreaga lanț valoric al bateriilor cu solid. În centrul atenției se află etapele de fabricație bazate pe laser, care sunt esențiale atât pentru dezvoltarea materialelor, cât și pentru industrializarea ulterioară. Acestea includ sinterizarea laser a electroliților solizi, structurarea laser pentru optimizarea interfețelor, tăierea laser a foliilor de metal litiu, precum și proceduri pentru contactare și integrarea în ansamblul celulelor.
În timp ce un grup examinează proprietățile și limitele noilor electroliți și materiale pentru anodă, o altă echipă dezvoltă metode pentru a prelucra aceste materiale într-un mod sigur și scalabil. „Această dublă perspectivă permite să se stabilească din timp puntea între demonstrația de laborator și implementarea industrială”, rezumă Ribbeck.
Cu toate acestea, bateriile cu corp solid nu vor înlocui atât de repede celulele litiu-ion deja stabilite, chiar dacă deschid noi perspective pentru aplicații care impun cele mai înalte cerințe de siguranță și densitate energetică. „Aero-spațial, tehnologia medicală, vehiculele de înaltă performanță sau o sursă de alimentare neîntreruptă, așa-numita UPS, pentru centre de date și spitale sunt exemple în care avantajele electroliților solizi justifică efortul suplimentar”, afirmă Stoyan Stoyanov. Pe termen mediu și lung, o scădere a costurilor de producție ar putea facilita și pătrunderea pe piețe mai largi.
Pentru Europa, aceasta reprezintă o oportunitate specială. În timp ce piața de masă pentru celulele litiu-ion este puternic influențată de producători asiatici, în domeniul tehnologiei cu corp solid nu există încă un monopol industrial consolidat. Companiile și instituțiile de cercetare pot să se poziționeze devreme, să contribuie la definirea standardelor și să construiască noi lanțuri de valoare.
Contact:
