德国团队开发出新型锂离子电池激光干燥方案

2023-04-10 14:55:10 来源:


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近日,德国弗劳恩霍夫激光技术研究所(Fraunhofer ILT)的研究人员宣布,他们已开发出两种创新的基于激光的锂离子电池生产技术。据介绍,这两种制造技术不仅在生产中节省了能源,而且有可能制造出具有更高功率密度、更长使用寿命的电池。

研究人员指出,石墨电极的制造是生产锂离子电池的关键步骤之一。在以往的电极制备过程中,通常的操作是使用卷对卷的工艺在铜箔上均匀地涂上石墨膏,将电极传送进160℃-180℃的燃气炉中(主要通过传送带输送铜箔)进行干燥。在消耗大量能源的同时,燃气驱动的连续炉也占用了大量空间,传输带通常长达60-100米,在工业规模上运行时每分钟可干燥100米的铜箔。

(图片来源:Fraunhofer ILT)

弗劳恩霍夫激光技术研究所(Fraunhofer ILT)研究人员开发了一种系统,其中二极管激光能够用于进行干燥过程。激光束的波长为1微米(1μm),经由特殊的光学器件将其放大后,就能够在大范围(大面积)内照亮电极。该光学系统是由Fraunhofer的行业合作伙伴Laserline专门为干燥系统设计的。

Fraunhofer ILT薄膜加工小组负责人Samuel Fink解释了该工艺背后的原理:“与热风干燥工艺相比,我们的二极管激光器是将高强度光束投射到涂有石墨膏的铜箔上,从而完成干燥过程。黑色的石墨吸收了能量,由此产生的相互作用导致石墨颗粒升温,而溶液则在这一过程中蒸发。”

这一技术带来了许多好处:与以往耗电的熔炉相比,二极管激光器非常节能,并且它向环境释放的热量很少。此外,激光干燥系统比传统的熔炉占用的空间大幅减少——据介绍,使用二极管激光干燥将减少高达50%的能量,并将工业规模干燥系统所需的空间至少减少60%。

它还能够提高锂离子电池的功率密度和寿命。具有1毫焦(mJ)脉冲能量的高功率超短脉冲激光器(USP)在电池电极中引入了一种类似于通道的空穴结构。这些通道充当了离子的“高速公路”——它们大大缩短了离子的行进距离,从而缩短了充电过程。同时,这防止了缺陷的发生,从而增加了充电循环次数,最终延长了电池的使用寿命。

Fraunhofer ILT研究人员遇到的挑战之一是如何处理更大的区域,以实现工业生产所需的高通量。不过,团队已经通过使用带有并行过程控制的多波束布置解决了这个问题:他们利用四个扫描器(每个扫描器有六个波束),并行地处理箔纸。它们发出的波束覆盖了250毫米宽的石墨层,并能够对这些石墨层进行连续处理。这种多光束光学系统是与Fraunhofer ILT子公司Pulsar Photonics密切合作开发和实现的,它能够延长石墨负电极的使用寿命,提升化学储能电池的循环寿命,以及降低锂电池的成本。

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