欧盟项目借助多光束激光微加工系统，提升电池生产效益

2023-02-08 15:43

2019年，欧盟推出了一个基础设施项目“NextGenBat”，该项目计划通过采用新材料以及基于激光的制造工艺，来显著提升电池等移动储能设备的性能。

为了实现这些目标，弗劳恩霍夫激光研究所（Fraunhofer ILT）及其合作伙伴开始用上一种并行运行激光加工过程的方法：使用特殊的光学器件生成多达数百个分束光束，然后通过并行处理来显著提高生产力和生产效率。然而，只有Pulsar Photonics等少数专业公司掌握了这项技术。

这一切都始于一个大型项目：在两年的时间里，来自亚琛、Jülich和Münster等六所研究所投入了1000万欧元预算，为新的生产技术和生产概念创建了具有前瞻性的基础设施。通过扩大北莱茵－威斯特法伦地区现有的研究基础设施，他们为该地区的公司研究和开发下一代电池创造了最佳条件。

24个正在使用的分束光束中的12个：Pulsar Photonics开发的光学器件通过单个分束光束打造出了大约300毫米宽的电池阳极带，这大大提高了功率密度和充电能力。（图片来源：Fraunhofer ILT）

激光微加工提高生产力

Pulsar Photonics （德国）是“NextGenBat”项目的参与者之一，该公司目前正在将欧洲区域发展基金（ERDF）项目的初步工作付诸实践。

弗劳恩霍夫激光研究所（Fraunhofer ILT）开发工艺和特定应用的光学系统，并为客户将其集成到现成的系列、行业就绪系统中。激光源、光学、传感器技术和软件可以在定制系统中实现最佳组合，以加工一系列丰富的材料和组件。Pulsar Photonics通过内部自主开发光束整形和多光束加工的光学元件和系统，从而大大提高了加工速度。

在电池技术方面，Pulsar Photonics自2020年夏天起就得到了Patrick Gretzki的支持；从一开始，这位物理学家就参与了弗劳恩霍夫激光研究所（Fraunhofer ILT）的“NextGenBat”项目，并担任薄膜结构研发团队的负责人。该研究所开发了一种卷对卷系统，用于锂离子电池的电极干燥和结构，以实现新的特性（如提高快速充电的容量）。

Fraunhofer ILT系统组件和光学系统部门经理Gretzki评论称：“我们通过咨询客户在大面积组件结构方面的经验深受裨益。Pulsar Photonics开发的‘MultiBeam MultiScanner’光学系统可以将激光系统的功率分成大量的分束光束。事实证明，该方法对超短脉冲激光器特别有用。而以往在单光束加工操作中，其输出只能在有限的范围内增加，部分原因是工件上的热负荷太高。几束激光束的并行操作允许每个单独的分束激光束以最大效率运行，从而以几乎没有热应力的高效方式加工工件。”

自2021年以来，Fraunhofer ILT研究所一直在研究电池生产的激光工艺，该机构平台开发的系统为电池生产的激光微结构提供了多种可能性。

红外光和绿光相互作用

来自Herzogenrath的光学器件将红外脉冲激光辐射分成24个分束光束，以此构成了大约300mm宽的电池阳极带。之后，光学模块可以在第二个工艺步骤中使用绿色激光，用一束激光就能切割出单个电池单元。

Fraunhofer ILT开发的系统展示了电池生产中基于激光微结构的各种可能性，但他们也在思考：潜在用户到底需要什么？Gretzki表示：“客户想要易于调节的光学器件——这些光学器件仅需要进行极少校准，并且在针对高激光功率进行优化后能够在生产环境中长期稳定运行。”

他补充称：“客户还希望，扫描仪能够与适当的软件和控制支持同步，以协调多个扫描字段的处理。甚至与皮带的运动同步。当下，市场对这种复杂解决方案的需求正在增长。”

2023年目标：量产

Fraunhofer ILT表示，多波束处理在优化生产步骤方面具有巨大的潜力，包括灵活性、数字化和成本效益。其应用领域包括激光微结构的整个领域，多组份的并行加工或激光工艺的一般并行化。

因此，Pulsar Photonics的下一步是进一步推进联合多波束加工，以实现工业上的生产应用。Gretzki补充道：“我们仍在寻找合作伙伴和应用程序，以充分融入这一概念，并在连续生产操作中加以验证。我们预计，未来大量的流程都可以通过这种技术带来经济收益。”