Od przetwarzania surowców do recyklingu: nowe podejścia w produkcji baterii

12 z 24 częściowych wiązek w użyciu: Optyka opracowana przez Pulsar Photonics tworzy strukturę pasma o szerokości 300 mm anody baterii przy użyciu poszczególnych częściowych wiązek. Znacznie poprawia to gęstość mocy i pojemność ładowania. © Pulsar Photonics GmbH.

Produkcja baterii leży u podstaw światowej polityki przemysłowej i klimatycznej. Rzeczywiście, popyt na systemy magazynowania energii dla elektromobilności i zastosowań stacjonarnych rośnie na całym świecie, podobnie jak znaczenie wydajnej, zrównoważonej i niezależnej regionalnie produkcji baterii.

W szczególności otoczenie biznesowe i regulacyjne dla produkcji baterii stawia firmy przed ogromnymi wyzwaniami: na przykład zależność od surowców, takich jak lit, kobalt i nikiel, powoduje napięcia geopolityczne. Jednocześnie łańcuchy dostaw stają się coraz bardziej kruche w miarę narastania globalnych kryzysów i wzrostu kosztów transportu. Europa stoi zatem przed zadaniem zbudowania odpornego łańcucha wartości, który obejmuje zarówno wydobycie surowców, dalsze przetwarzanie, jak i recykling – w końcu zużyte baterie są najobfitszym niemieckim zasobem litu. Ponadto procesy produkcyjne muszą być elastycznie dostosowywane do nowych konstrukcji baterii, takich jak baterie półprzewodnikowe lub sodowo-jonowe, aby zabezpieczyć w nie inwestycje.

W obliczu tych wyzwań jasne jest, że przyszłość produkcji baterii w Europie można zabezpieczyć tylko przy użyciu najnowocześniejszych technologii. Technologia laserowa w szczególności oferuje rozwiązania spełniające kluczowe wymagania – wydajność, precyzję i zrównoważony rozwój. Konkurencyjna i zrównoważona produkcja baterii w Europie jest trudna do pomyślenia bez innowacyjnych procesów laserowych, czy to w obróbce materiałów, produkcji elektrod, czy recyklingu.

Przetwarzanie surowców i uszlachetnianie materiałów: podstawa zrównoważonej produkcji baterii

Materiały takie jak lit i nikiel są nadal składnikami obecnych ogniw baterii. Ich właściwości chemiczne i fizyczne umożliwiają uzyskanie dużej gęstości energii i długiej żywotności, ale ich wydobycie i przetwarzanie stwarzają złożone problemy.

Jednak technologie baterii rozwijają się szybko, a przemysł dąży do zminimalizowania wykorzystania rzadkich i drogich surowców. Chiński producent baterii CATL zaprezentował w 2021 r. baterię sodowo-jonową, która całkowicie zrezygnowała z litu i kobaltu. W kwietniu 2024 r. CATL wprowadził na rynek baterię litowo-żelazowo-fosforanową (LFP) bez kobaltu, która może zasilać samochód przez ponad 1000 kilometrów na jednym ładowaniu. W ciągu zaledwie dziesięciu minut może naładować wystarczającą ilość energii na 600 kilometrów, co odpowiada prędkości ładowania jednego kilometra na sekundę.

Wysokowydajny laser diodowy z projektu badawczego IDEEL sprawia, że seryjna produkcja baterii litowo-jonowych jest znacznie bardziej zrównoważona i ekonomiczna dzięki procesowi roll-to-roll. © Fraunhofer ILT,

Toyota planuje stosować baterie półprzewodnikowe w pojazdach hybrydowych od 2025 r. Nissan uruchomił w Japonii prototypową fabrykę laminowanych baterii półprzewodnikowych. Panasonic zaprezentował baterię półprzewodnikową do dronów. VW i Mercedes, Ford i BMW zamierzają wprowadzić baterie półprzewodnikowe lub nawiązać strategiczne partnerstwa.

Kluczowym punktem wyjścia dla nowych technologii baterii jest udoskonalenie materiałów na poziomie nano; tutaj surowce są specjalnie przetwarzane i funkcjonalizowane, aby zmaksymalizować ich wydajność w bateriach. To właśnie bada Wydział Technologii Powierzchni i Ablacji w Instytucie Technologii Laserowej Fraunhofera. Dzięki nowoczesnym technologiom laserowym może on precyzyjnie ingerować w strukturę materiału i jednocześnie minimalizować zużycie zasobów.

Innym przykładem udanego wykorzystania technologii laserowych jest współpraca między Fraunhofer ILT, Katedrą Technologii Laserowej LLT na Uniwersytecie RWTH w Akwizgranie, TRUMPF i Niemieckim Synchrotronem Elektronowym DESY. Dzięki wykorzystaniu promieni rentgenowskich z akceleratora cząstek inżynierowie byli w stanie uzyskać głębszy wgląd w procesy spawania laserowego. Wykazali, że stosowanie laserów o zielonej długości fali poprawia wykorzystanie materiału i zmniejsza ilość odpadów. Ich odkrycia nie tylko oferują zalety technologiczne, ale również przyczyniają się do bardziej zrównoważonej produkcji.

Aurora Powertrains zleciła Fraunhofer ILT opracowanie dostosowanego systemu spawania laserowego dla modułowego, skalowalnego akumulatora skutera śnieżnego. Wodoodporny i pyłoszczelny akumulator o klasie IP67 ma gęstość energii ponad 190 Wh/kg. © Aurora Powertrains.

„Projekty te pokazują, że innowacyjna technologia laserowa może nie tylko przezwyciężyć wyzwania związane z przetwarzaniem surowców, ale także umożliwić 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

Obecne folie przewodzące (miedziane lub aluminiowe) muszą zostać pokryte materiałami elektrodowymi dla anody i katody, a następnie wysuszone – kluczowe kroki, które wpływają zarówno na gęstość energii, jak i cykl życia baterii. Konwencjonalne procesy suszenia oparte na piecach konwekcyjnych zużywają jednak znaczną ilość energii i wymagają dużej ilości miejsca, co ogranicza zrównoważony rozwój i wydajność produkcji baterii.

Projekt IDEEL (Implementation of Laser Drying Processes for Economical & Ecological Lithium-Ion Battery Production), finansowany przez niemieckie Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań Naukowych, pokazuje, w jaki sposób suszenie laserowe rozwiązuje te problemy: W ramach projektu anody i katody zostały po raz pierwszy wysuszone w procesie roll-to-roll przy użyciu lasera diodowego o dużej mocy. Ta metoda znacznie zmniejsza zużycie energii, podwaja prędkość suszenia i zmniejsza o połowę wymaganą przestrzeń.

„Suszenie laserowe nie tylko umożliwia bardziej efektywną kontrolę procesu, ale także pomaga znacznie zmniejszyć ślad węglowy produkcji baterii” — wyjaśnia dr Samuel Moritz Fink, kierownik grupy Thin-Film Processing w Fraunhofer ILT. Wraz z partnerami projektu Fink i jego zespół opracowali moduł suszenia laserowego z dostosowaną optyką i monitorowaniem procesu, aby zapewnić równomierne suszenie. To podejście oferuje również elastyczność: istniejące piece konwekcyjne można doposażyć w technologię laserową, co ułatwia wdrożenie innowacyjnego procesu na istniejących liniach produkcyjnych.

W innym projekcie badawczym Fraunhofer ILT wykorzystuje specjalnie opracowaną optykę wielowiązkową. Ten zespół optyczny dzieli wiązkę laserową na kilka częściowych wiązek, które jednocześnie przetwarzają 250-milimetrową wstęgę anody baterii litowo-jonowej. Ta wysoce precyzyjna struktura zwiększa gęstość energii i poprawia zdolność szybkiego ładowania.

 
Spawanie laserowe ogniw baterii niebieskim laserem. © Fraunhofer ILT

Produkcja elektrod również korzysta z integracji sztucznej inteligencji z procesem produkcyjnym. Naukowcy z Fraunhofer ILT badają obecnie, w jaki sposób systemy wspierane przez AI mogą być wykorzystywane do optymalizacji parametrów procesu. Takie systemy mogą nie tylko dalej zwiększać jakość i produktywność, ale także stanowić podstawę autonomicznej produkcji.

Montaż ogniw: precyzja i wydajność dzięki innowacyjnym technologiom

Oprócz suszenia elektrod, precyzyjne łączenie materiałów elektrodowych odgrywa również kluczową rolę w wydajności i niezawodności akumulatorów. Mikrospawanie laserowe ugruntowało swoją pozycję jako kluczowa technologia, ponieważ może łączyć materiały takie jak miedź i aluminium, niezbędne do elektrod akumulatorów, bez ich dotykania i z wysoką precyzją. Dzięki niskiemu obciążeniu termicznemu wrażliwa chemia ogniwa pozostaje nienaruszona, a przewodnictwo elektryczne jest zoptymalizowane dzięki zmniejszonej rezystancji styku. Mikrospawanie laserowe zapewnia połączenie elastyczności i wydajności, których tradycyjne procesy spawania nie mogą dorównać.

Wymagania dotyczące mikrospawania laserowego różnią się w zależności od formatu ogniwa, ponieważ każdy typ ogniwa stwarza specyficzne wyzwania, jeśli chodzi o kontakt. Ogniwa cylindryczne wymagają precyzyjnej głębokości spawania, aby zapewnić przewodnictwo elektryczne, z jednej strony, a z drugiej, aby zapobiec uszkodzeniom spowodowanym przegrzaniem. Kontakt z biegunem ujemnym stwarza szczególne wyzwania, ponieważ nadmierne ciepło może uszkodzić wrażliwe uszczelnienie polimerowe, co może skutkować wyciekiem elektrolitu. W przypadku ogniw kieszeniowych, które charakteryzują się elastyczną konstrukcją i wysoką gęstością energii, należy unikać spawania przez delikatną powłokę foliową.

 
Wahacz samochodowy z nadrukowanym czujnikiem siły mierzy siły działające podczas użytkowania w dowolnym momencie i rejestruje najmniejsze pęknięcia, które pojawiają się przed rozwinięciem się wady. © Fraunhofer ILT

Jednym z obiecujących osiągnięć w zakresie montażu ogniw jest projekt XProLas, który TRUMPF realizuje we współpracy z Fraunhofer ILT i innymi partnerami. Ich celem jest opracowanie kompaktowych, laserowo napędzanych źródeł promieniowania rentgenowskiego, które umożliwiają przeprowadzanie testów jakości na miejscu bezpośrednio w siedzibie producenta, zamiast stosowania dużych akceleratorów cząstek, jak to miało miejsce wcześniej. Ta nowa technologia umożliwia analizę ogniw baterii w czasie rzeczywistym, umożliwiając precyzyjne monitorowanie zarówno procesów ładowania i rozładowywania, jak i jakości materiału. Ta metoda otwiera nowe możliwości, zwłaszcza gdy konieczne jest zbadanie materiału katody; materiał ten decyduje o wydajności i trwałości baterii. „Dzięki zastosowaniu doskonałych źródeł promieniowania rentgenowskiego możemy wykryć zanieczyszczenia i wady materiału na wczesnym etapie, a tym samym znacznie skrócić czas rozwoju”, wyjaśnia Dipl.-Ing. Hans-Dieter Hoffmann, kierownik Działu Laserów i Systemów Optycznych w Fraunhofer ILT.

Również tutaj integracja sztucznej inteligencji otwiera dodatkowy potencjał: systemy wspierane przez AI mogą monitorować i dostosowywać parametry procesu w czasie rzeczywistym. Dzięki temu odchylenia można wykryć i skorygować na wczesnym etapie, tworząc podstawę autonomicznej produkcji. Wizja produkcji „first-time-right”, w której wszystkie komponenty są montowane bez błędów w pierwszym przebiegu, jest zatem w zasięgu ręki.

Produkcja modułów i pakietów: wydajność i precyzja dzięki technologiom laserowym

Następnie poszczególne ogniwa są łączone w celu utworzenia modułów lub pakietów. Precyzja odgrywa decydującą rolę na poziomie modułu, w szczególności, ponieważ konieczne jest zintegrowanie kilku spoin bez zwiększania obciążenia cieplnego wrażliwych ogniw. Procesy laserowe, takie jak mikrospawanie, umożliwiają użytkownikom dostosowanie procesów do tych wymagań w sposób dostosowany do indywidualnych potrzeb.

Jedną z kluczowych innowacji Fraunhofer ILT jest opracowanie procesów, które można wykorzystać do bezpiecznego i precyzyjnego łączenia aluminium i miedzi — dwóch materiałów o bardzo różnych właściwościach fizycznych. Wykorzystując najnowocześniejsze prowadzenie wiązki laserowej, inżynierowie instytutu mogą kontrolować głębokość spawania, aby nie uszkodzić wrażliwych ogniw.

Struktury techniczne i dowolny kształt geometryczny można nanieść na wafel za pomocą druku atramentowego, podczas gdy funkcjonalizacja jest przeprowadzana za pomocą promieniowania laserowego. Poszczególne elementy głośnika są następnie oddzielane i integrowane w środowisku elektronicznym. © Fraunhofer ILT

„Ta technologia jest niezbędna do produkcji modułów i pakietów, które muszą niezawodnie działać w ekstremalnych warunkach, takich jak wysokie prądy i obciążenia cieplne” — wyjaśnia Olowinsky. Jednym z przykładów jest spawanie laserowe dużych cylindrycznych ogniw, które instytut z siedzibą w Akwizgranie nadal rozwija wspólnie z partnerami, takimi jak EAS Batteries GmbH. Tutaj zwracają uwagę na generowanie stabilnego i trwałego połączenia między ogniwami, aby zapewnić długą żywotność i niskie wskaźniki awaryjności.

Oprócz spawania laserowego, lutowanie laserowe stało się powszechne, szczególnie w przypadku łączenia elementów wrażliwych na ciepło. Proces ten działa w niższych temperaturach niż tradycyjne metody spawania, a tym samym chroni wrażliwą elektronikę wewnątrz modułów, dzięki czemu nie tylko akumulatory są bardziej niezawodne, ale także produkcja jest bardziej energooszczędna.

Zarządzanie bateriami i integracja czujników: inteligencja dla przyszłościowych systemów baterii

Zarządzanie bateriami jest jednym z głównych wyzwań współczesnych systemów magazynowania energii. Bezpieczeństwo, trwałość i wydajność baterii zależą w dużej mierze od tego – a nie w ostatniej kolejności od akceptacji elektromobilności. Postęp w integracji czujników i wykorzystanie sztucznej inteligencji zapewniają transformacyjne możliwości spełnienia tych wymagań.

Tradycyjnie baterie są monitorowane na poziomie makroskopowym, ale oferuje to jedynie ograniczony wgląd w złożone procesy zachodzące w ogniwach. To właśnie tutaj integracja technologii czujników podczas produkcji oferuje nowe możliwości. Naukowcy z Fraunhofer ILT drukują czujniki bezpośrednio na komponentach, a nawet integrują z nimi inteligentne urządzenia pomiarowe. Czujniki te umożliwiają monitorowanie w czasie rzeczywistym, takie jak pomiar temperatur, sił, a nawet zmian chemicznych w bateriach podczas użytkowania.

„Dzięki czujnikom wytwarzanym metodą addytywną możemy stale monitorować stan modułów baterii i reagować na potencjalne wady na wczesnym etapie” – wyjaśnia Samuel Fink. Te czujniki mają grubość zaledwie kilku mikrometrów, są precyzyjne i odporne na naprężenia mechaniczne i termiczne, co czyni je idealnymi do stosowania w akumulatorach i modułach akumulatorowych. Ich zdolność do dostarczania ciągłych danych umożliwia konserwację predykcyjną, która wykrywa potencjalne wady, zanim wystąpią.

Bezkontaktowe naświetlanie i odlutowywanie elementów płytki drukowanej przy użyciu promieniowania laserowego w procesie recyklingu projektu „ADIR”. © Fraunhofer ILT

Jednak sama integracja technologii czujników nie wystarczy do wdrożenia konserwacji predykcyjnej. Czujniki mogą wykrywać zmiany w chemii ogniw, podczas gdy algorytmy AI analizują te dane i przewidują żywotność ogniw. Naukowcy z Działu Nauki o Danych i Technologii Pomiarowych w Fraunhofer ILT opracowują takie algorytmy obsługiwane przez AI, które analizują duże ilości danych z czujników w czasie rzeczywistym. Systemy te umożliwiają również dynamiczną adaptację procesów, na przykład poprzez optymalizację profili temperaturowych podczas montażu ogniw lub dostosowywanie parametrów spawania laserowego.

Recykling i ponowne wykorzystanie: droga do gospodarki o obiegu zamkniętym w technologii baterii

Wraz z boomem w 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 ramach projektu UE ADIR, Fraunhofer ILT współpracuje z ośmioma partnerami projektu z trzech krajów w celu opracowania koncepcji zrównoważonego recyklingu urządzeń elektronicznych. Projekt ACROBAT ma na celu opracowanie planu recyklingu baterii litowo-żelazowo-fosforanowych przed ich wprowadzeniem na rynek na dużą skalę. Celem projektu jest odzyskanie ponad 90 procent krytycznych materiałów. Wraz z partnerami, takimi jak Accurec Recycling, Fraunhofer ILT pracuje nad innowacyjnymi metodami separacji i przetwarzania, które są zarówno ekologiczne, jak i ekonomiczne. Eksperci od laserów w Akwizgranie opracowują metodę charakterystyki inline w celu precyzyjnej oceny jakości materiału aktywnego.

Dzięki własnemu procesowi spektroskopii przebicia indukowanego laserowo (LIBS), instytut może precyzyjnie identyfikować i oddzielać złożone składy materiałów. Naukowcy chcą dostosować tę technologię do recyklingu zużytych baterii, aby jeszcze bardziej usprawnić odzyskiwanie metali, takich jak kobalt i tantal. Tutaj również sztuczna inteligencja może zostać zintegrowana w celu analizy dużych ilości danych z pomiarów laserowych i optymalizacji procesu w czasie rzeczywistym. Ten wspierany przez sztuczną inteligencję monitoring umożliwia dynamiczną regulację parametrów recyklingu, co zmniejsza ilość odpadów i zwiększa jakość surowców poddawanych recyklingowi.

Wnioski i perspektywy

Produkcja baterii jest sercem transformacji elektromobilności, a zatem przedmiotem innowacji łączących wydajność, zrównoważony rozwój i doskonałość technologiczną. Technologie i osiągnięcia zaprezentowane w całym łańcuchu produkcyjnym pokazują, w jaki sposób najnowocześniejsze procesy laserowe mogą utorować drogę dla zrównoważonego i konkurencyjnego przemysłu baterii: od przygotowania surowców i produkcji elektrod po montaż i recykling ogniw. Jednocześnie systemy analizy i sterowania wspomagane przez sztuczną inteligencję tworzą nowy wymiar kontroli procesów, który poprawia jakość produkcji i zrównoważony rozwój oraz dodatkowo obniża koszty produkcji.

 
Wykorzystanie laserów i sztucznej inteligencji do zrównoważonej produkcji akumulatorów: opłacalna i niezawodna produkcja. © Fraunhofer ILT

W przyszłości pętle sterowania wspomagane przez sztuczną inteligencję mogłyby umożliwić autonomiczną produkcję, w której procesy dostosowują się do zmieniających się warunków w czasie rzeczywistym. Ponadto źródła promieniowania rentgenowskiego sterowane laserowo i technologie charakteryzacji inline otwierają nowe możliwości w zakresie zapewnienia jakości i analizy materiałów.

 

Źródło:  Fraunhofer ILT