大幅な省エネ！ ドイツ、バッテリー生産のための新しいレーザーベースのソリューションを開発

最近、ドイツのアーヘンにあるフラウンホーファーレーザー技術研究所 (フラウンホーファー ILT) の研究者グループは、生産における大幅なエネルギー節約を可能にするだけでなく、より高い出力密度の製造を可能にする 2 つのレーザーベースの製造技術を開発しました。バッテリー寿命が長くなります。
今日、高性能バッテリーは輸送部門の電化にとって重要な前提条件となっています。 前述のチームの研究者らは、従来の方法で製造されたリチウムイオン電池よりも高速に充電でき、耐用年数が長いリチウムイオン電池を製造するための革新的なレーザー技術を開発しました。 さらに、レーザーを使用してバッテリーを乾燥させ、水ベースの電極をコーティングするより効率的な方法を実現しました。
リチウムイオン電池の製造における重要なステップの 1 つは、グラファイトベースの電極の製造です。 これらの電極では、ロールツーロールプロセスを使用して銅箔をグラファイトペーストでコーティングし、摂氏160-180度の連続炉で乾燥させます。 ガス駆動の連続炉（ベルトコンベアで銅箔を搬送する）は、多くのエネルギーを消費するだけでなく、多くのスペースを占有します。通常、長さは 60-100 メートルあり、通常、1 回あたり 100 メートルの銅箔を乾燥できます。工業規模で運用する場合は 1 分です。
レーザーによる効率的な細胞乾燥
フラウンホーファー ILT の研究者は、乾燥プロセスを加速するためにダイオード レーザーを使用するシステムを開発しました。 レーザービームの波長は 1 ミクロンで、特別な光学系によって増幅されるため、電極によってより広い領域を照射できるようになります。
この光学系は、フラウンホーファーの業界パートナーである Laserline によって乾燥システム用に特別に設計されました。 フラウンホーファー産業技術研究所の薄膜処理グループ長であるサミュエル・フィンク氏は、このプロセスの背後にある原理を次のように説明しています。「熱風乾燥プロセスとは対照的に、当社のダイオードレーザーは銅箔に高強度のビームを照射します。グラファイトペーストでコーティングされています。黒いグラファイトがエネルギーを吸収します。結果として生じる相互作用によりグラファイト粒子が温まり、その後液体が蒸発します。」
フラウンホーファー ILT のテクノロジーには多くの利点があります。ダイオード レーザーは、電力を消費する連続炉に比べてエネルギー効率が非常に高く、システムが環境に放出する熱はほとんどありません。 さらに、レーザー乾燥システムは従来の炉よりも占有スペースが小さくなります。 Samuel Fink 氏によると、「ダイオード レーザーを使用した乾燥により、必要なエネルギーが最大 50 パーセント削減され、産業規模の乾燥システムに必要なスペースが少なくとも 60 パーセント削減されます。」
改良された 3D 電極構造により性能が向上
これらの利点に加えて、フラウンホーファー ILT チームはレーザーを使用してリチウムイオン電池の出力密度と寿命を延ばすことができました。 1ミリジュールのパルスエネルギーを持つ高出力超短パルスレーザー(USP)は、バッテリー電極にチャネルと呼ばれる穴構造を導入します。 これらのチャネルはイオンにとって「高速道路」として機能し、イオンが移動しなければならない距離を大幅に短縮し、充電プロセスを短縮します。 同時に、これにより欠陥の発生が防止され、充電サイクルの回数が増加し、最終的にバッテリーの寿命が延びます。
ホール構造を作製するためのレーザーベースのプロセスとその電池へのプラスの影響は理論的に明白であり、フラウンホーファー ILT の研究者は、その概念を実践に移すことに成功しました。つまり、研究室から、超短パルスのレーザー放射を使用する拡張可能な産業対応プロセスまで、その概念を実践することに成功しました。フェムト秒範囲で電極構造を変更および調整します。
フラウンホーファー ILT 表面構造チームの責任者であるマティアス・トレン氏は、「レーザーパルスの短い相互作用時間は、材料をアブレーションするには十分ですが、穴が溶けるのを防ぐのにも十分です。つまり、セルの出力が失われないことを意味します。」と説明しています。
かつてチームが直面した課題の 1 つは、工業生産に必要な大量生産を達成するために、より広い面積をどのように処理するかということでした。 フラウンホーファーのチームは、マルチビーム配置と並列プロセス制御を使用してこの問題を解決しました。彼らのソリューションでは、それぞれ 6 つのビームを備えた 4 台のスキャナーを使用して箔を並列処理します。 幅 250 mm をカバーし、グラファイト層を連続的に処理します。 このマルチビーム光学システムは、フラウンホーファー ILT がそのスピンオフ会社パルサー フォトニクス GmbH と緊密に協力して開発、実装したと報告されています。
前述のチームが実施した研究では、レーザー技術をデジタル生産プロセスとして使用して、セルの品質を向上させ、製造プロセスの持続可能性を大幅に向上できることが示されました。 次のステップとして、彼らはプロトタイプの拡張から工業用生産ラインまでこの技術を実装したいと考えています。