Notevole risparmio energetico! La Germania sviluppa una nuova soluzione basata su laser per la produzione di batterie

Di recente, un gruppo di ricercatori del Fraunhofer Institute for Laser Technology (Fraunhofer ILT) di Aquisgrana, in Germania, ha sviluppato due tecnologie di produzione basate sul laser che non solo consentono un notevole risparmio energetico nella produzione, ma consentono anche la produzione di una maggiore densità di potenza, batterie di maggiore durata.
Oggi le batterie ad alte prestazioni sono diventate un prerequisito fondamentale per l'elettrificazione del settore dei trasporti. I ricercatori del suddetto team hanno sviluppato una tecnologia laser innovativa per produrre batterie agli ioni di litio, che possono essere caricate più velocemente e hanno una durata maggiore rispetto alle batterie agli ioni di litio prodotte in modo convenzionale. Inoltre, hanno utilizzato i laser per asciugare le batterie, rendendolo un modo più efficiente per rivestire gli elettrodi a base d'acqua.
Uno dei passaggi chiave nella produzione di batterie agli ioni di litio è la fabbricazione di elettrodi a base di grafite. Per questi elettrodi, viene utilizzato un processo roll-to-roll per rivestire la lamina di rame con pasta di grafite, che viene poi essiccata in un forno continuo a 160-180 gradi Celsius. I forni continui a gas (che trasportano fogli di rame su un nastro trasportatore) occupano molto spazio oltre a consumare molta energia: sono generalmente lunghi 60-100 metri e possono essiccare tipicamente 100 metri di fogli di rame per minuto quando si opera su scala industriale.
Efficiente essiccazione cellulare con laser
I ricercatori del Fraunhofer ILT hanno sviluppato un sistema che utilizza un laser a diodi per accelerare il processo di essiccazione. Il raggio laser ha una lunghezza d'onda di 1 micron ed è amplificato da speciali ottiche che consentono agli elettrodi di irradiare un'area più ampia.
L'ottica è stata progettata specificamente per il sistema di asciugatura dal partner industriale di Fraunhofer, Laserline. Samuel Fink, capo del gruppo di lavorazione del film sottile presso il Fraunhofer Institute for Industrial Technology, spiega il principio alla base del processo: "A differenza del processo di essiccazione ad aria calda, il nostro laser a diodi proietta un raggio ad alta intensità su una lamina di rame rivestito con pasta di grafite. La grafite nera assorbe l'energia. L'interazione risultante fa riscaldare le particelle di grafite e quindi il liquido evapora.
La tecnologia di Fraunhofer ILT offre una serie di vantaggi: il laser a diodi è molto efficiente dal punto di vista energetico rispetto ai forni continui che consumano energia e il sistema rilascia pochissimo calore nell'ambiente. Inoltre, i sistemi di essiccazione laser occupano meno spazio rispetto ai forni convenzionali. Secondo Samuel Fink, "L'essiccazione con un laser a diodi ridurrà il fabbisogno energetico fino al 50 percento e ridurrà lo spazio richiesto per i sistemi di essiccazione su scala industriale di almeno il 60 percento".
La struttura migliorata dell'elettrodo 3D migliora le prestazioni
Oltre a questi vantaggi, il team di Fraunhofer ILT è stato in grado di utilizzare il laser per aumentare la densità di potenza e la durata delle batterie agli ioni di litio. Un laser a impulsi ultracorti (USP) ad alta potenza con un'energia dell'impulso di 1 millijoule introduce una struttura di fori chiamata canale nell'elettrodo della batteria. Questi canali fungono da "autostrade" per gli ioni: accorciano significativamente la distanza che gli ioni devono percorrere, accorciando il processo di carica. Allo stesso tempo, ciò impedisce la comparsa di difetti, aumentando così il numero di cicli di ricarica e prolungando in definitiva la durata della batteria.
Il processo basato sul laser per fabbricare strutture di fori e il suo impatto positivo sulle batterie è teoricamente ovvio e i ricercatori del Fraunhofer ILT sono riusciti a tradurre il concetto in pratica: dal laboratorio a un processo scalabile e pronto per l'industria che utilizza impulsi ultrabrevi di radiazione laser nell'intervallo dei femtosecondi per modificare e mettere a punto le strutture degli elettrodi.
Matthias Trenn, capo del team di strutture superficiali del Fraunhofer ILT, spiega: "I brevi tempi di interazione degli impulsi laser sono sufficienti per l'ablazione del materiale, ma anche per evitare che i fori si fondano, il che significa che le cellule non perdono potenza".
Una delle sfide che il team ha dovuto affrontare una volta era come gestire aree più grandi per raggiungere la produzione in volume richiesta per la produzione industriale. Il team Fraunhofer ha risolto questo problema utilizzando una disposizione a più raggi e un controllo di processo parallelo: la loro soluzione utilizza quattro scanner, ciascuno con sei raggi, per elaborare i fogli in parallelo. Coprono una larghezza di 250 mm e lavorano gli strati di grafite in continuo. È stato riferito che questo sistema ottico multiraggio è stato sviluppato e implementato da Fraunhofer ILT in stretta collaborazione con la sua società spin-off Pulsar Photonics GmbH.
La ricerca condotta dal suddetto team ha dimostrato che la tecnologia laser può essere utilizzata come processo di produzione digitale per migliorare la qualità delle celle e aumentare significativamente la sostenibilità del processo di produzione. Come passo successivo, sperano di implementare la tecnologia dalle estensioni dei prototipi alle linee di produzione industriale.