Proizvodnja baterij je v središču globalne industrijske in podnebne politike. Z naraščajočo svetovno potrebo po energijskem shranjevanju za elektromobilnost in stacionarne aplikacije narašča tudi pomen učinkovite, trajnostne in regionalno neodvisne proizvodnje.
Zlasti pogoji za proizvodnjo baterij postavljajo podjetja pred ogromne izzive: Odvisnost od surovin, kot so litij, kobalt in nikelj, povzroča geopolitične napetosti. Hkrati so dobavne verige zaradi globalnih kriz in naraščajočih stroškov prevoza vedno bolj krhke. Evropa se torej sooča z nalogo, da zgradi odporen vrednostni sistem, ki vključuje tako pridobivanje surovin kot nadaljnjo obdelavo ter recikliranje – končno so stare baterije najbogatejši nemški vir litija. Poleg tega se morajo proizvodni procesi zaradi varnosti naložb prilagoditi novim konceptom baterij, kot so trdne ali natrij-ionske baterije.
Ob upoštevanju teh izzivov postane jasno, da je prihodnost proizvodnje baterij v Evropi mogoča le z uporabo najsodobnejših tehnologij. Zlasti laserska tehnologija ponuja rešitve za izpolnitev osrednjih zahtev – učinkovitosti, natančnosti in trajnosti. Ne glede na to, ali gre za obdelavo materialov, proizvodnjo elektrod ali recikliranje: brez inovativnih laserskih procesov je konkurenčna in trajnostna proizvodnja baterij v Evropi komaj predstavljiva.
Obdelava surovin in izboljšanje materialov kot osnova
Materiali, kot sta litij in nikel, so še vedno sestavni del trenutnih baterijskih celic. Njihove kemijske in fizikalne lastnosti omogočajo visoke energijske gostote in dolgo življenjsko dobo, njihova pridobitev in obdelava pa prinašata kompleksne težave.
Vendar se baterijske tehnologije hitro razvijajo z namenom, da zmanjšajo uporabo redkih in dragih surovin. CATL je že leta 2021 predstavil natrij-ionsko baterijo, ki se popolnoma odpove litiju in kobaltu. Aprila 2024 je kitajski proizvajalec baterij predstavil kobaltno brez litij-železo-fosfat (LFP) baterijo z dosegom več kot 1.000 kilometrov. V samo desetih minutah lahko napolni dovolj energije za 600 kilometrov, kar ustreza hitrosti polnjenja en kilometer na sekundo.
Tovarna Toyota bo od leta 2025 začela uporabljati trdne baterije v hibridnih vozilih. Nissan je na Japonskem zagnal proizvodno obrat za prototipe laminiranih trdnih baterij. Panasonic je predstavil trdno baterijo za drone. VW in Mercedes, Ford in BMW so blizu uvedbe trdnih baterij ali so sklenili strateška partnerstva.
Ena ključnih točk za nove baterijske tehnologije je obdelava materialov na nano ravni, pri kateri se surovine ciljno obdelujejo in funkcionalizirajo, da se maksimalno povečajo njihove zmogljivosti v baterijah. S tem se ukvarja oddelek za površinsko tehnologijo in oblikovno odstranjevanje na Fraunhofer institutu za lasersko tehnologijo. Moderne laserske tehnologije omogočajo natančne posege v strukturo materialov in hkrati minimizirajo porabo virov.
Drug primer za uspešno uporabo laserskih tehnologij se nahaja v sodelovanju med Fraunhofer ILT, Katedro za lasersko tehnologijo LLT RWTH Aachen, TRUMPF in Nemškim elektronskim sinkrotronom DESY. Z uporabo rentgenskih žarkov delovnega pospeševalnika so bili pridobljeni globlji vpogledi v procese laserskega varjenja. Pri tem se je izkazalo, da uporaba laserjev z zeleno valovno dolžino izboljšuje izkoriščenost materiala in zmanjšuje odpad. Ta spoznanja ne prinašajo le tehnoloških prednosti, temveč prispevajo tudi k bolj trajnostni proizvodnji.
»Ti projekti poudarjajo, da inovativna laserska tehnologija ne le obvladuje izzivov obdelave surovin, temveč tudi omogoča trajnostno in konkurenčno proizvodnjo baterij v Evropi,« pojasnjuje dr. Alexander Olowinsky, vodja oddelka za spajanje in rezanje na Fraunhofer ILT.
Proizvodnja elektrod: Inovacije za trajnostno proizvodnjo
Premazovanje prevodnikov (baker ali aluminij) z elektrodnimi materiali za anodo in katodo ter njihovo kasnejše sušenje sta odločilna koraka, ki vplivata tako na energijsko gostoto kot na življenjsko dobo baterij. Konvencionalne metode sušenja, ki temeljijo na konvekcijskih pečeh, pa imajo znatno porabo energije in velik prostor, kar omejuje trajnost in učinkovitost proizvodnje baterij.
Projekt IDEEL (Implementacija procesov laserskega sušenja za ekonomično in ekološko proizvodnjo litij-ionskih baterij), ki ga financira Zvezno ministrstvo za izobraževanje in raziskave, prikazuje, kako lasersko sušenje rešuje te izzive: V projektu je bilo prvič izvedeno sušenje anod in katod v postopku roll-to-roll s pomočjo visokozmogljivega diodnega laserja. Ta metoda znatno znižuje porabo energije, hkrati pa podvoji hitrost sušenja in prepolovi potrebo po prostoru.
»Lasersko sušenje ne omogoča le učinkovitejšega vodenja procesov, temveč tudi znatno izboljšuje CO₂-bilanco proizvodnje baterij,« pojasnjuje dr. Samuel Moritz Fink, vodja skupine za tanke plasti na Fraunhofer ILT. Fink in njegova ekipa so skupaj s projektnimi partnerji razvili modul za lasersko sušenje z prilagojeno optiko in nadzorom procesa, ki zagotavlja enakomerno sušenje. Ta pristop ponuja tudi fleksibilnost: obstoječe konvekcijske peči je mogoče nadgraditi z lasersko tehnologijo, kar olajša implementacijo v obstoječe proizvodne linije.
V drugem raziskovalnem projektu Fraunhofer ILT uporablja posebej razvito večžarkasto optiko. Ta deli lasersko sevanje na več delovnih žarkov, ki hkrati obdelujejo 250 milimetrov širok trak anode litij-ionske baterije. Ta visoko natančna struktura povečuje energijsko gostoto in sposobnost hitrega polnjenja.
Proizvodnja elektrod prav tako koristi od integracije umetne inteligence v proizvodni proces. Raziskovalci na Fraunhofer ILT trenutno preučujejo, kako lahko sistemi, podprti z umetno inteligenco, optimizirajo procesne parametre. Takšni sistemi bi lahko ne le še povečali kakovost in produktivnost, temveč tudi postavili temelje za avtonomno proizvodnjo.
Celična sestava: Natančnost in učinkovitost z inovativnimi tehnologijami
Poleg sušenja elektrod igra tudi natančno povezovanje elektrodnih materialov osrednjo vlogo pri zmogljivosti in zanesljivosti baterij. Tukaj se je lasersko mikrovarjenje uveljavilo kot ključna tehnologija. Omogoča brezstično, visoko natančno spajanje materialov, kot sta baker in aluminij, ki sta za baterijske elektrode bistvenega pomena. Zaradi nizke toplotne obremenitve ostane občutljiva kemija celic nedotaknjena, medtem ko se električna prevodnost optimizira z zmanjšanimi prehodnimi upori.
Laser-mikrovarjenje ponuja kombinacijo fleksibilnosti in učinkovitosti, ki je tradicionalnim varilnim postopkom nedosegljiva.
Zahteve za lasersko mikrosvarjanje se razlikujejo glede na obliko celic, saj vsaka vrsta celice prinaša specifične izzive pri stiku. Cevaste celice zahtevajo natančno globino varjenja, da se zagotovi električna prevodnost in hkrati preprečijo poškodbe zaradi pregrevanja. Še posebej zahtevno je stikanje negativne elektrode, saj lahko prevelika toplotna obremenitev poškoduje občutljivo polimerno tesnilo, kar lahko privede do uhajanja elektrolita. Pri pouch celicah, ki se odlikujejo po fleksibilnem dizajnu in visoki energijski gostoti, je treba predvsem preprečiti preboje občutljive folijske obloge.
Obetavna razvojna smer pri sestavljanju celic je projekt XProLas, ki ga TRUMPF v sodelovanju s Fraunhofer ILT in drugimi partnerji izvaja. Cilj je razvoj kompaktnih, laserjem pogonjenih rentgenskih virov, ki omogočajo kakovostno preverjanje na kraju samem neposredno pri proizvajalcu, namesto kot doslej z uporabo velikih pospeševalnikov delcev. Ta tehnologija omogoča analizo baterijskih celic v realnem času, kar omogoča natančno spremljanje tako procesov polnjenja in praznjenja kot tudi kakovosti materialov. Še posebej pri preučevanju katodnega materiala, ki v veliki meri določa zmogljivost in trajnost baterije, ta metoda odpira nove možnosti. »Z uporabo briljantnih rentgenskih virov lahko zgodaj prepoznamo onesnaženja in materialne napake ter tako bistveno skrajšamo čas razvoja,« pojasnjuje dipl. inž. Hans-Dieter Hoffmann, vodja oddelka za laserje in optične sisteme na Fraunhofer ILT.
Tudi tukaj integracija umetne inteligence odpira dodatne potenciale: KI-podprti sistemi lahko v realnem času spremljajo in prilagajajo procesne parametre. Tako je mogoče odstopanja zgodaj prepoznati in popraviti, kar ustvarja temelje za avtonomno proizvodnjo. Vizija proizvodnje »First-time-right«, pri kateri so vse komponente brez napak sestavljene že pri prvem poskusu, se tako približuje uresničitvi.
Modularna in pakirna proizvodnja: Učinkovitost in natančnost s pomočjo laserskih tehnologij
Nato so posamezne celice povezane v module oziroma pakete. Zlasti na ravni modulov ima natančnost odločilno vlogo, saj je potrebna integracija več varovanj, ne da bi pri tem povečali toplotno obremenitev občutljivih celic. Laserski procesi, kot je mikrovajanje, omogočajo prilagoditev tem zahtevam.
Ena od osrednjih inovacij Fraunhofer ILT je razvoj postopkov, ki omogočajo varno in natančno spajanje aluminija in bakra – obeh materialov z zelo različnimi fizikalnimi lastnostmi. S pomočjo najsodobnejšega usmerjanja laserskega žarka je mogoče nadzorovati globino varjenja, da ne poškodujemo občutljivih celic.
»Ta tehnologija je ključna za proizvodnjo modulov in paketov, ki morajo zanesljivo delovati pod ekstremnimi pogoji, kot so visoki tokovi in toplotne obremenitve,« pojasnjuje Olowinsky. En primer tega je lasersko varjenje velikih cilindričnih celic, ki je bilo skupaj s partnerji, kot je EAS Batteries GmbH, nadalje razvito na Aškerškem inštitutu. Pri tem se posveča stabilni in dolgotrajni povezavi celic, da se zagotovi dolga življenjska doba in nizka stopnja okvar.
Poleg laserskega varjenja se je uveljavilo tudi lasersko spajkanje, zlasti za povezovanje toploto občutljivih komponent. Ta postopek deluje pri nižjih temperaturah kot tradicionalni postopki varjenja in tako ščiti občutljivo elektroniko znotraj modulov. To ne povečuje le zanesljivosti baterijskih paketov, temveč prispeva tudi k energetski učinkovitosti proizvodnje.
Upravljanje baterij in integracija senzorjev
Upravljanje baterij je ena od osrednjih izzivov sodobnih sistemov za shranjevanje energije. Varnost, dolga življenjska doba in zmogljivost baterij so v veliki meri odvisne od tega – in ne nazadnje tudi sprejemljivost električne mobilnosti. Napredek v integraciji senzorjev in uporaba umetne inteligence ponujata transformativne možnosti za izpolnjevanje teh zahtev.
Tradicionalno se baterije spremljajo na makroskopski ravni, kar pa ponuja le omejen vpogled v kompleksne procese znotraj celic. Tukaj integracija senzorike med proizvodnjo ponuja nove možnosti. Raziskovalci na Fraunhofer ILT tiskajo senzorje neposredno na komponente ali celo integrirajo pametne merilne naprave. Ti senzorji omogočajo spremljanje v realnem času, kot je merjenje temperatur, sil ali celo kemičnih sprememb znotraj baterij.
»Z dodatno izdelanimi senzorji lahko natančno spremljamo stanje baterijskih modulov in se pravočasno odzovemo na morebitne napake,« pojasnjuje Samuel Fink. Ti senzorji so debeli le nekaj mikrometrov, natančni in hkrati odporni na mehanske in toplotne obremenitve, kar jih naredi idealne za uporabo v baterijah in baterijskih modulih. Njihova sposobnost, da nenehno zagotavljajo podatke, omogoča napovedno vzdrževanje (Predictive Maintenance), ki prepoznava potencialne napake, preden se pojavijo.
Integracija senzorike sama po sebi ni dovolj za uresničitev napovednega vzdrževanja. Senzorji lahko zaznajo spremembe v kemiji celic, medtem ko algoritmi umetne inteligence te podatke analizirajo in napovedujejo življenjsko dobo celic. Raziskovalci oddelka »Podatkovna znanost in merilna tehnika« na Fraunhofer ILT razvijajo takšne algoritme, podprte z umetno inteligenco, ki v realnem času analizirajo velike količine podatkov iz senzorjev. Ta sistema omogočata tudi dinamično prilagajanje procesov, na primer z optimizacijo temperaturnih profilov med sestavljanjem celic ali prilagajanjem parametrov laserskega varjenja.
Recikliranje in ponovna uporaba
S porastom baterijske tehnologije narašča tudi potreba po trajnostnih strategijah za pridobivanje dragocenih surovin. Učinkovito krožno gospodarstvo je nujno potrebno za zmanjšanje odvisnosti od primarnih surovin in hkrati za minimizacijo vplivov na okolje pri proizvodnji baterij.
V EU-projektu ADIR razvija Fraunhofer ILT skupaj z osmimi projektnimi partnerji iz treh držav trajnostno reciklažno zasnovo za elektronske naprave. V projektu ACROBAT naj bi razvili koncept za reciklažo litij-železo-fosfatnih baterij, preden te na trgu dosežejo široko prisotnost. Cilj projekta je pridobiti več kot 90 odstotkov kritičnih materialov. Skupaj s partnerji, kot je Accurec Recycling, Fraunhofer ILT dela na inovativnih postopkih ločevanja in predelave, ki so tako ekološko kot gospodarsko trajnostni. Aachenski strokovnjaki za laser razvijajo inline karakterizacijsko metodo, da natančno ocenijo kakovost aktivnega materiala.
Laserspektroskopska analiza (LIBS) omogoča natančno identifikacijo in ločevanje kompleksnih materialnih sestavov. To tehnologijo želijo raziskovalci prilagoditi za recikliranje starih baterij, da bi še izboljšali pridobivanje kovin, kot sta kobalt in tantal. Tudi tukaj lahko integracija umetne inteligence analizira velike količine podatkov iz laserskih meritev v realnem času in iz njih izpelje optimizacije procesov.
Ta umetna inteligenca podprta nadzor omogoča dinamično prilagajanje parametrov recikliranja, kar zmanjšuje odpadke in povečuje kakovost recikliranih surovin.
Zaključek in pogled naprej
Proizvodnja baterij je v središču prehoda na električno mobilnost in tako v fokusu inovacij, ki združujejo učinkovitost, trajnost in tehnološke vrhunske dosežke. Predstavljene tehnologije in razvoj v proizvodni verigi prikazujejo, kako lahko najsodobnejši laserski postopki odprejo pot do trajnostne in konkurenčne industrije baterij – od obdelave surovin, preko proizvodnje elektrod do sestavljanja celic in recikliranja.
Hkrati sistemi za analizo in nadzor, podprti z umetno inteligenco, ustvarjajo novo dimenzijo nadzora procesov, ki izboljšuje kakovost proizvodnje in trajnost ter dodatno znižuje proizvodne stroške.
V prihodnosti lahko sistemi z umetno inteligenco omogočijo avtonomno proizvodnjo, kjer se procesi v realnem času prilagajajo spremenjenim pogojem. Poleg tega laserjem poganjane rentgenske naprave in inline tehnologije karakterizacije odpirajo nove možnosti za zagotavljanje kakovosti in analizo materialov.
Kontakt:
