Виробництво акумуляторів займає центральне місце в глобальній промисловій та кліматичній політиці. Зі зростаючою світовою потребою в енергозберігаючих пристроях для електромобільності та стаціонарних застосувань зростає також значення ефективного, сталого та регіонально незалежного виробництва.
Зокрема, умови виробництва батарей ставлять компанії перед величезними викликами: залежність від сировини, такої як літій, кобальт і нікель, викликає геополітичні напруження. Одночасно ланцюги постачання стають дедалі більш крихкими через глобальні кризи та зростаючі транспортні витрати. Європа, отже, стикається з завданням створення стійкого ланцюга створення вартості, який охоплює як видобуток сировини, так і подальшу обробку, а також переробку – адже старі батареї є найприбутковішим джерелом літію в Німеччині. Додатково, виробничі процеси з причин інвестиційної безпеки повинні бути гнучкими і адаптуватися до нових концепцій батарей, таких як твердотільні або натрієво-іонні батареї.
У світлі цих викликів стає зрозуміло, що майбутнє виробництва батарей в Європі може бути забезпечене лише за рахунок використання найсучасніших технологій. Особливо лазерна техніка пропонує рішення для задоволення основних вимог – ефективності, точності та сталості. Чи то в обробці матеріалів, виробництві електродів чи в переробці: без інноваційних лазерних процесів конкурентоспроможне та сталий виробництво батарей в Європі важко уявити.
Обробка сировини та удосконалення матеріалів як основа
Матеріали, такі як літій і нікель, досі є складовими частинами сучасних батарейних елементів. Їхні хімічні та фізичні властивості забезпечують високу енергетичну щільність і тривалий термін служби, проте їх видобуток і обробка створюють складні проблеми.
Проте технології батарей швидко розвиваються з метою мінімізації використання рідкісних і дорогих сировин. CATL вже у 2021 році представила натрієво-іонну батарею, яка повністю відмовляється від літію та кобальту. У квітні 2024 року китайський виробник батарей представив безкобальтову літій-залізо-фосфатну (LFP) батарею з діапазоном понад 1000 кілометрів. За лише десять хвилин вона може зарядитися на достатню кількість енергії для 600 кілометрів, що відповідає швидкості зарядки в один кілометр за секунду.
Завод Toyota планує впровадити твердотільні акумулятори в гібридних автомобілях з 2025 року. Nissan запустив в Японії виробничий завод для прототипів ламінованих твердотільних акумуляторів. Panasonic представила твердотільний акумулятор для дронів. VW, Mercedes, Ford та BMW незабаром впровадять твердотільні акумулятори або уклали стратегічні партнерства.
Основним підходом до нових батарейних технологій є удосконалення матеріалів на нано-рівні, де сировина цілеспрямовано обробляється та функціоналізується для максимізації її продуктивності в батареях. Цим займається відділ поверхневої техніки та формоутворення в Інституті лазерної техніки Фраунгофера. Сучасні лазерні технології дозволяють точно втручатися в матеріальну структуру та одночасно мінімізувати споживання ресурсів.
Ще один приклад успішного застосування лазерних технологій можна знайти у співпраці між Фраунгофером ILT, кафедрою лазерної техніки LLT RWTH Ахен, TRUMPF та Німецьким електронним синхротроном DESY. Завдяки використанню рентгенівських променів прискорювача частинок вдалося отримати глибші уявлення про процеси лазерного зварювання. При цьому було виявлено, що використання лазерів з зеленою довжиною хвилі покращує використання матеріалів і зменшує відходи. Ці знання не лише забезпечують технологічні переваги, але й сприяють більш стійкому виробництву.
«Ці проекти підкреслюють, що інноваційна лазерна технологія може не лише впоратися з викликами обробки сировини, але й забезпечити стійке та конкурентоспроможне виробництво батарей в Європі», пояснює доктор Олександр Оловінський, керівник відділу з'єднання та розділення в Fraunhofer ILT.
Виробництво електродів: Інновації для сталого виробництва
Покриття струмопровідних плівок (мідь або алюміній) електродними матеріалами для анода та катода, а також їх подальше висушування є вирішальними етапами, які впливають як на енергетичну щільність, так і на циклічний ресурс батарей. Однак традиційні методи сушіння, що базуються на конвекційних печах, мають значне споживання енергії та великі вимоги до простору, що обмежує стійкість та ефективність виробництва батарей.
Проект IDEEL (Впровадження лазерних процесів сушіння для економічного та екологічного виробництва літій-іонних акумуляторів), підтримуваний Федеральним міністерством освіти і досліджень, демонструє, як лазерне сушіння вирішує ці виклики: у проекті вперше була реалізована сушка анодів і катодів у процесі рулон-до-рулону за допомогою високопродуктивного діодного лазера. Цей метод значно знижує споживання енергії, одночасно подвоюючи швидкість сушіння та зменшуючи площу, що займається вдвічі.
«Лазерне сушіння не лише забезпечує більш ефективне управління процесом, але й сприяє значному покращенню вуглецевого сліду виробництва батарей», - пояснює доктор Самуель Моріц Фінк, керівник групи з тонкоплівкових процесів у Fraunhofer ILT. Фінк та його команда спільно з партнерами проекту розробили модуль лазерного сушіння з адаптованою оптикою та моніторингом процесу, що забезпечує рівномірне сушіння. Цей підхід також пропонує гнучкість: існуючі конвекційні печі можна дооснастити лазерною технологією, що полегшує впровадження в існуючі виробничі лінії.
У іншому дослідницькому проекті Fraunhofer ILT використовує спеціально розроблену мультипроміньову оптику. Вона розділяє лазерне випромінювання на кілька часткових променів, які одночасно обробляють 250-мм широкий смужку анода літій-іонної батареї. Це високо точне структурування підвищує енергетичну щільність і швидкість заряджання.
Виробництво електродів також виграє від інтеграції штучного інтелекту у виробничий процес. Дослідники Інституту Фраунгофера ILT наразі вивчають, як системи, що підтримуються ШІ, можуть бути використані для оптимізації параметрів процесу. Такі системи можуть не лише підвищити якість і продуктивність, але й закласти основу для автономного виробництва.
Збірка клітин: точність і ефективність завдяки інноваційним технологіям
Окрім сушіння електродів, точне з'єднання матеріалів електродів також відіграє центральну роль у продуктивності та надійності батарей. Тут лазерне мікрозварювання зарекомендувало себе як ключова технологія. Воно дозволяє безконтактне, високо точне з'єднання матеріалів, таких як мідь і алюміній, які є суттєвими для електродів батарей. Завдяки низькому термічному навантаженню чутлива хімія осередків залишається неушкодженою, тоді як електрична провідність оптимізується за рахунок зменшення перехідних опорів.
Лазерне мікрозварювання пропонує поєднання гнучкості та ефективності, яке традиційні зварювальні методи не можуть досягти.
Вимоги до лазерного мікрозварювання варіюються залежно від формату осередку, оскільки кожен тип осередку має специфічні виклики при контактуванні. Циліндричні осередки вимагають точної глибини зварювання, щоб з одного боку забезпечити електричну провідність, а з іншого - уникнути пошкоджень через перегрів. Особливо складним є контактування негативного полюса, оскільки занадто високе теплове навантаження може пошкодити чутливу полімерну ущільнювальну прокладку, що може призвести до витоку електроліту. У pouch-осередках, які вирізняються гнучким дизайном і високою енергетичною щільністю, насамперед необхідно уникати пропалювання чутливого фольгового покриття.
Обіцяючим розвитком у сфері збору елементів є проект XProLas, який реалізується компанією TRUMPF у співпраці з Fraunhofer ILT та іншими партнерами. Метою є розробка компактних рентгенівських джерел, що працюють на лазерній основі, які дозволяють проводити контроль якості на місці безпосередньо у виробника, на відміну від використання великих прискорювачів частинок, як це було раніше. Ця технологія дозволяє аналізувати батарейні елементи в реальному часі, що дає змогу точно контролювати як процеси заряджання та розряджання, так і якість матеріалів. Особливо при дослідженні катодного матеріалу, який суттєво впливає на продуктивність і довговічність батареї, цей метод відкриває нові можливості. "Завдяки використанню яскравих рентгенівських джерел ми можемо рано виявляти забруднення та дефекти матеріалів, що дозволяє значно скоротити час розробки", - пояснює дипломований інженер Ганс-Дітер Хоффманн, керівник відділу лазерних та оптичних систем у Fraunhofer ILT.
Також тут інтеграція штучного інтелекту відкриває додаткові потенціали: системи на основі ШІ можуть моніторити та коригувати параметри процесу в реальному часі. Це дозволяє рано виявляти та виправляти відхилення, що створює основу для автономного виробництва. Візія виробництва «перший раз правильно», де всі компоненти безпомилково монтуються з першого разу, наближається до реальності.
Модульне та упаковочне виробництво: ефективність та точність завдяки лазерним технологіям
Після цього окремі осередки з'єднуються в модулі або пакети. Особливо на рівні модулів точність відіграє вирішальну роль, оскільки необхідна інтеграція кількох зварних швів без підвищення термічного навантаження на чутливі осередки. Лазерні процеси, такі як мікрозварювання, дозволяють точно налаштуватися під ці вимоги.
Однією з центральних інновацій Fraunhofer ILT є розробка методів, які забезпечують безпечне та точне з'єднання алюмінію та міді – обох матеріалів з дуже різними фізичними властивостями. Завдяки сучасному управлінню лазерним променем можна контролювати глибину зварювання, щоб не пошкодити чутливі елементи.
«Ця технологія є суттєвою для виробництва модулів і пакетів, які повинні надійно працювати в екстремальних умовах, таких як високі струми та термічні навантаження», пояснює Оловінський. Прикладом цього є лазерне зварювання великих циліндричних елементів, яке було вдосконалене в Аахенському інституті спільно з партнерами, такими як EAS Batteries GmbH. При цьому звертається увага на стабільне та довговічне з'єднання елементів, щоб забезпечити високу тривалість служби та низькі показники відмов.
Окрім лазерного зварювання, лазерне паяння також зарекомендувало себе, особливо для з'єднання термочутливих компонентів. Цей процес працює при нижчих температурах, ніж традиційні зварювальні методи, що зберігає чутливу електроніку всередині модулів. Це не лише підвищує надійність батарейних блоків, але й сприяє енергоефективності виробництва.
Управління батареєю та інтеграція датчиків
Управління батареями є одним із центральних викликів сучасних систем зберігання енергії. Безпека, довговічність і продуктивність батарей значною мірою залежать від цього – і не в останню чергу прийняття електромобільності. Прогрес у інтеграції сенсорів та використання штучного інтелекту пропонують трансформаційні можливості для задоволення цих вимог.
Традиційно акумулятори контролюються на макроскопічному рівні, що однак забезпечує лише обмежене уявлення про складні процеси всередині елементів. Тут інтеграція сенсорики під час виробництва відкриває нові можливості. Дослідники з Fraunhofer ILT друкують сенсори безпосередньо на деталях або навіть інтегрують ці розумні вимірювальні пристрої. Ці сенсори дозволяють здійснювати моніторинг у реальному часі, наприклад, вимірювання температур, сил або навіть хімічних змін всередині акумуляторів.
«Завдяки сенсорам, виготовленим адитивним способом, ми можемо постійно контролювати стан батарейних модулів і своєчасно реагувати на можливі несправності», пояснює Самуель Фінк. Ці сенсори мають товщину всього кілька мікрометрів, є точними та водночас стійкими до механічних і термічних навантажень, що робить їх ідеальними для використання в батареях та батарейних модулях. Їхня здатність постійно постачати дані дозволяє здійснювати прогнозне обслуговування (Predictive Maintenance), яке виявляє потенційні дефекти до їх виникнення.
Однак інтеграції сенсорики недостатньо для реалізації предиктивного обслуговування. Сенсори можуть виявляти зміни в хімії елементів, тоді як алгоритми штучного інтелекту аналізують ці дані та роблять прогнози щодо терміну служби елементів. Дослідники відділу «Наука про дані та вимірювальні технології» в Інституті Фраунгофера ILT розробляють такі алгоритми на основі штучного інтелекту, які в реальному часі аналізують великі обсяги даних з сенсорів. Ці системи також дозволяють динамічно налаштовувати процеси, наприклад, шляхом оптимізації температурних профілів під час складання елементів або налаштування параметрів лазерного зварювання.
Переробка та повторне використання
Зі зростанням популярності батарейних технологій зростає також необхідність у сталих стратегіях для відновлення цінних сировин. Ефективна циркулярна економіка є незамінною для зменшення залежності від первинних сировин та одночасного мінімізації впливу на навколишнє середовище під час виробництва батарей.
У проекті ЄС ADIR Fraunhofer ILT разом із вісьмома партнерами з трьох країн розробляє життєздатну концепцію переробки електронних пристроїв. У проекті ACROBAT має бути розроблено концепцію для переробки літій-феррофосфатних акумуляторів, перш ніж вони масово вийдуть на ринок. Метою проекту є повернення більше 90 відсотків критичних матеріалів. Разом із партнерами, такими як Accurec Recycling, Fraunhofer ILT працює над інноваційними методами розділення та обробки, які є як екологічно, так і економічно стійкими. Аахенські експерти з лазерних технологій розробляють тут методику інлайн-характеризації для точної оцінки якості активного матеріалу.
Лазерно-спектроскопічний аналіз (LIBS) дозволяє точно ідентифікувати та розділяти складні матеріальні склади. Цю технологію дослідники хочуть адаптувати для переробки старих батарей, щоб, наприклад, покращити відновлення металів, таких як кобальт і тантал. Також тут інтеграція штучного інтелекту може аналізувати великі обсяги даних з лазерних вимірювань у реальному часі та виводити з них оптимізації процесів.
Ця система моніторингу на основі ШІ дозволяє динамічно налаштовувати параметри переробки, що зменшує відходи і підвищує якість перероблених сировин.
Висновок і перспективи
Виробництво батарей знаходиться в центрі переходу до електромобільності і, отже, в центрі інновацій, які поєднують ефективність, сталий розвиток і технологічні досягнення. Презентовані технології та розробки вздовж виробничого ланцюга демонструють, як сучасні лазерні методи можуть прокласти шлях до сталевої та конкурентоспроможної індустрії батарей – від підготовки сировини до виробництва електродів, збору елементів і переробки.
Одночасно системи аналізу та управління на основі ШІ створюють новий вимір контролю процесів, що покращує якість виробництва і сталий розвиток, а також дозволяє знизити витрати на виробництво.
Перспективно, системи управління на основі ШІ можуть забезпечити автономне виробництво, в якому процеси в реальному часі адаптуються до змінених умов. Крім того, лазерні рентгенівські джерела та технології інлайн-характеризації відкривають нові можливості для забезпечення якості та аналізу матеріалів.
Контакт:
