Inspiracja dla e-mobilności
Fraunhofer ILTJednym z kluczowych pytań dotyczących transformacji mobilności jest: w jaki sposób pojazdy elektryczne mogą być produkowane w sposób zrównoważony i jednocześnie ekonomiczny? Instytut Fraunhofera ds. Technologii Laserowej ILT w Akwizgranie w Niemczech, który wraz z partnerami przemysłowymi opracował elektryzujące rozwiązania w zakresie technologii laserowej, ma kilka odpowiedzi.
Na targach LSE – Laser Symposium Electromobility 2024 w dniach 23 i 24 stycznia 2024 r. m.in. nLight Plasmo, Precitec i 4D Photonics zaprezentują monitoring połączeń spawanych laserowo. Firmy zademonstrują na żywo, w jaki sposób monitorowanie procesów zapewnia bezbłędne procesy spawania
Herbert Diess, były dyrektor generalny Grupy Volkswagen, opisał akumulator jako: serce samochodu elektrycznego i klucz do przyszłości mobilności.
Znajduje to również odzwierciedlenie w cenie: według niemieckiego Federalnego Ministerstwa Gospodarki i Działań na rzecz Klimatu (BMWi) akumulator stanowi do 40% wartości dodanej pojazdu elektrycznego. Nic więc dziwnego, że w samej Europie powstaje i planuje się budowę dodadkowych 40 gigafabryk akumulatorów.
Teraz branża musi jeszcze bardziej obniżyć koszty produkcji akumulatorów, wynoszące obecnie nieco poniżej 100 USD za kilowatogodzinę.
Profesor Arnold Gillner, kierownik działu rozwoju biznesu w Fraunhofer ILT, w styczniu 2023 r. na Laser Symposium Electromobility LSE'23 wymienił 2 główne zadania: Oprócz zmniejszenia zużycia energii przy produkcji akumulatorów, ważne jest zwiększenie ich gęstości energii poprzez nowe materiały w perspektywie długoterminowej.
We własnym, prawie 140 m2 laboratorium akumulatorowym ILT zespół Fraunhofera ma dostęp do najnowocześniejszej technologii pozwalającej na przeprowadzenie badań nowych materiałów i procesów oraz dysponuje urządzeniami do laserowej produkcji akumulatorów. Elektryczne i mechaniczne stanowiska testowe, pozwalają użytkownikom na bezpośrednią ocenę obróbki laserowej zarówno dzisiejszych standardowych akumulatorów litowo-jonowych z ciekłymi elektrolitami, jak i przyszłych akumulatorów półprzewodnikowych.
Laboratorium Battery Lab dysponuje zestawem specjalnych rękawic, za pomocą których wykonywane jest próżniowe powlekanie PVD i obsługa pieca wysokotemperaturowego. Wykonywanie prac w osłonie argonu umożliwia powlekanie materiałów ogniw półprzewodnikowych wrażliwych na działanie powietrza, a następnie montaż ich w ogniwach testowych.
Suszenie laserem diodowym zmniejsza zużycie energii o połowę
Na targach Hannover Messe w 2023 r. naukowcy z Akwizgranu zademonstrowali, w jaki sposób można znacznie zmniejszyć zużycie energii podczas suszenia grafitowych elektrod akumulatorów litowo-jonowych.
Do tej pory piece działające w trybie pracy ciągłej suszyły folie miedziane pokryte pastą grafitową w temperaturze od 160 do 180oC. Naukowcy z Akwizgranu zastępują ten wysokoenergetyczny proces roll-to-roll systemem wykorzystującym laser diodowy, który podgrzewa elektrodę na dużej powierzchni za pomocą specjalnego systemu optycznego.
Fraunhofer ILTSamuel Fink, lider grupy ds. procesów cienkowarstwowych w Fraunhofer ILT, mówi: Suszenie za pomocą lasera diodowego zmniejsza zapotrzebowanie na energię nawet o 50%, a przestrzeń wymaganą dla systemu suszenia na skalę przemysłową o co najmniej 60%.
Naukowcy skupiają się również na gęstości energii. W Hanowerze instytut zaprezentował laser o dużej mocy, z ultra krótkimi impulsami, który rozdziela wiązkę lasera podczerwonego na 24 strumienie częściowe i za pomocą których nadaje odpowiednią strukturę elektrodom baterii. Wielostrumieniowy system optyczny został opracowany i wdrożony w ścisłej współpracy z firmą Pulsar Photonics GmbH, spin-off Fraunhofer ILT założoną w 2013 roku.
Podczas procesu formowania elektrod tworzone są również kanały, które działają jak drogi szybkiego ruchu – skracają odległości pokonywane przez jony i przspieszają proces ładowania akumulatora. Zapobiega to powstawaniu usterek, zwiększa liczbę cykli ładowania i wydłuża żywotność baterii. Proces ten nie jest nowy, ale naukowcom z Fraunhofer udało się przenieść go ze laboratorium do procesu nadającego się do zastosowania w przemyśle.
W następnym kroku przeskalujemy technologię od prototypu do przemysłowej linii produkcyjnej – wyjaśnia Matthias Trenn, lider zespołu Surface Structuring w Fraunhofer ILT.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Inspiracje z Afryki
Wykorzystanie laserów do spawania przewodników jest dla naukowców z Akwizgran kluczowym elementem w przemysłowej produkcji akumulatorów. Spektrum ich projektów rozciąga się od procesu łączenia dostosowanego do produkcji na dużą skalę szynoprzewodów prądowych, szybko ładujących się i rozładowujących się akumulatorów, systemu spawania laserowego cylindrycznych ogniw litowo-jonowych do zastosowań o wysokiej wydajności (40 do 50 amperogodzin), aż po zintegrowane rozwiązania, takie jak dla Aurora Powertrains z Finlandii.
Start-up z Laponii opracował wodoodporną i pyłoszczelną baterię o stopniu ochrony IP67 dla swojego elektrycznego skutera śnieżnego eSled, cechującą się wysoką gęstością energii powyżej 190 Wh/kg. W tym celu wykorzystano technologię laserową opracowaną przez Fraunhofer ILT, która połączyła aluminiowy przewodnik ogniwa z miedzianym przewodnikiem.
Fraunhofer ILTPonieważ aluminium znajduje się na górze podczas procesu produkcyjnego, przewaga absorpcji przy zielonych lub niebieskich długościach fal lasera nie jest tak istotna, jak w przypadku miedzi – mówi dr Alexander Olowinsky, kierownik działu łączenia i cięcia w Fraunhofer ILT, wyjaśniając szczegóły rozwiązania laserowego. – Laser jednomodowy na podczerwień o małej średnicy wiązki jest bardziej zaawansowanym, szybszym i znacznie tańszym rozwiązaniem, ponieważ obecnie jakość wiązki jest niższa w przypadku koloru zielonego lub niebieskiego, ze względu na zastosowany system – dodaje.
DESY: Dogłębny wgląd w proces spawania
Przykład ten pokazuje, w jaki sposób wybór odpowiedniego źródła wiązki zależy od konkretnego zastosowania. W celu dalszego rozwijania wiedzy, naukowcy Fraunhofera, wraz z badaczami z Katedry Technologii Laserowej LLT i zaawansowanej technologicznie firmy Trumpf, nawiązali współpracę w Niemieckim Synchrotronie Elektronowym DESY w Hamburgu w celu zbadania, jaka długość fali może być w sposób niezawodny, stabilny i szybki wykorzystana do laserowego spawania miedzianych połączeń elektrycznych w wysokowydajnych układach pojazdów elektrycznych. Odpowiedzi dostarczyło bardzo jasne promieniowanie pierścienia synchrotronowego PETRA III w DESY, który może rejestrować do 20 000 obrazów na sekundę.
Przy wsparciu ekspertów z Centrum Helmholtza w Hereon, zespół wykorzystał promieniowanie rentgenowskie, aby przyjrzeć się roztopionej miedzi przez wiązkę lasera. Eksperymenty nie tylko dowiodły, że metal nieżelazny można najlepiej spawać zielonym światłem lasera. Bardzo wyraźne filmy rentgenowskie z procesów laserowych pokazały również, jak najmniejsze zmiany parametrów lasera wpływają na głębokość wtopienia spoiny, tworzenie porów i powstawanie odprysków.
Oceniając te dane, partnerzy mogą lepiej zrozumieć procesy spawania laserowego i odpowiednio je zoptymalizować w projektach. Fraunhofer ILT idzie o krok dalej: W Akwizgranie trwają już przygotowania do kolejnej generacji laserowej.
Oprócz cięcia, spawania i wiercenia, w przyszłości chcemy przyjrzeć się bliżej drukowaniu 3D metali w DESY – wyjaśnia Alexander Olowinsky.
Źródło: Fraunhofer ILT
