德国团队开发出新型锂离子电池激光干燥方案

2023-04-10 14:27

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。