การประหยัดพลังงานอย่างมีนัยสำคัญ! เยอรมนีพัฒนาโซลูชันใหม่ที่ใช้เลเซอร์สำหรับการผลิตแบตเตอรี่

เมื่อเร็ว ๆ นี้ กลุ่มนักวิจัยจาก Fraunhofer Institute for Laser Technology (Fraunhofer ILT) ในเมือง Aachen ประเทศเยอรมนี ได้พัฒนาเทคโนโลยีการผลิตที่ใช้เลเซอร์ 2 เทคโนโลยี ซึ่งไม่เพียงแต่ช่วยประหยัดพลังงานในการผลิตได้อย่างมากเท่านั้น แต่ยังช่วยให้สามารถผลิตพลังงานที่มีความหนาแน่นสูงขึ้นอีกด้วย แบตเตอรี่ที่มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น
ทุกวันนี้ แบตเตอรี่ประสิทธิภาพสูงได้กลายเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นที่สำคัญสำหรับการใช้พลังงานไฟฟ้าในภาคการขนส่ง นักวิจัยในทีมที่กล่าวถึงข้างต้นได้พัฒนาเทคโนโลยีเลเซอร์ที่เป็นนวัตกรรมใหม่เพื่อผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ซึ่งสามารถชาร์จได้เร็วกว่าและมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ผลิตตามธรรมเนียม นอกจากนี้ พวกเขาใช้เลเซอร์ในการทำให้แบตเตอรี่แห้ง ทำให้เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการเคลือบอิเล็กโทรดที่ใช้น้ำ
หนึ่งในขั้นตอนสำคัญในการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคือการประดิษฐ์อิเล็กโทรดที่ใช้กราไฟต์ สำหรับอิเล็กโทรดเหล่านี้ ใช้กระบวนการแบบม้วนต่อม้วนเพื่อเคลือบฟอยล์ทองแดงด้วยกราไฟต์เพสต์ ซึ่งจะทำให้แห้งในเตาเผาแบบต่อเนื่องที่อุณหภูมิ 160-180 องศาเซลเซียส เตาเผาแบบต่อเนื่องที่ขับเคลื่อนด้วยแก๊ส (ซึ่งขนส่งฟอยล์ทองแดงบนสายพานลำเลียง) ใช้พื้นที่มาก นอกเหนือจากการใช้พลังงานจำนวนมาก โดยทั่วไปเตาเผาเหล่านี้มีความยาว 60-100 เมตร และโดยทั่วไปสามารถทำให้ฟอยล์ทองแดงแห้งได้ 100 เมตรต่อเตา นาทีเมื่อใช้งานในระดับอุตสาหกรรม
การทำให้เซลล์แห้งอย่างมีประสิทธิภาพด้วยเลเซอร์
นักวิจัยของ Fraunhofer ILT ได้พัฒนาระบบที่ใช้เลเซอร์ไดโอดเพื่อเร่งกระบวนการทำให้แห้ง ลำแสงเลเซอร์มีความยาวคลื่น 1 ไมครอนและถูกขยายโดยออปติคพิเศษที่ช่วยให้อิเล็กโทรดฉายรังสีได้ในบริเวณที่กว้างขึ้น
เลนส์ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับระบบอบแห้งโดย Laserline ซึ่งเป็นพันธมิตรในอุตสาหกรรมของ Fraunhofer Samuel Fink หัวหน้ากลุ่มการประมวลผลฟิล์มบางของ Fraunhofer Institute for Industrial Technology อธิบายหลักการเบื้องหลังกระบวนการนี้ว่า "ตรงกันข้ามกับกระบวนการทำให้แห้งด้วยลมร้อน เลเซอร์ไดโอดของเราจะฉายลำแสงความเข้มสูงไปยังฟอยล์ทองแดง เคลือบด้วยแกรไฟต์เพสต์ กราไฟต์สีดำจะดูดซับพลังงาน ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นทำให้อนุภาคกราไฟต์อุ่นขึ้น จากนั้นของเหลวจะระเหยออกไป"
เทคโนโลยีของ Fraunhofer ILT มีประโยชน์หลายประการ: เลเซอร์ไดโอดประหยัดพลังงานมากเมื่อเทียบกับเตาเผาแบบต่อเนื่องที่ใช้พลังงานสูง และระบบจะปล่อยความร้อนออกสู่สิ่งแวดล้อมน้อยมาก นอกจากนี้ ระบบการอบแห้งด้วยเลเซอร์ยังใช้พื้นที่น้อยกว่าเตาเผาทั่วไป จากข้อมูลของ Samuel Fink "การทำให้แห้งด้วยเลเซอร์ไดโอดจะลดความต้องการพลังงานได้ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ และลดพื้นที่ที่จำเป็นสำหรับระบบอบแห้งระดับอุตสาหกรรมอย่างน้อย 60 เปอร์เซ็นต์"
โครงสร้างอิเล็กโทรด 3 มิติที่ปรับปรุงใหม่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ
นอกจากประโยชน์เหล่านี้แล้ว ทีมงาน Fraunhofer ILT ยังสามารถใช้เลเซอร์เพื่อเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน เลเซอร์พัลส์แบบสั้นพิเศษกำลังสูง (USP) ที่มีพลังงานพัลส์ 1 มิลลิจูลแนะนำโครงสร้างรูที่เรียกว่าช่องในอิเล็กโทรดของแบตเตอรี่ ช่องเหล่านี้ทำหน้าที่เป็น "ทางหลวง" สำหรับไอออน - ช่วยลดระยะทางที่ไอออนต้องเดินทางได้อย่างมาก ทำให้กระบวนการชาร์จสั้นลง ในขณะเดียวกันก็ช่วยป้องกันไม่ให้ข้อบกพร่องปรากฏขึ้น ซึ่งจะเป็นการเพิ่มจำนวนรอบการชาร์จและยืดอายุของแบตเตอรี่ในที่สุด
กระบวนการที่ใช้เลเซอร์ในการประดิษฐ์โครงสร้างหลุมและผลกระทบเชิงบวกต่อแบตเตอรี่นั้นชัดเจนในทางทฤษฎี และนักวิจัยของ Fraunhofer ILT ก็ประสบความสำเร็จในการแปลแนวคิดไปสู่การปฏิบัติ: จากห้องปฏิบัติการไปจนถึงกระบวนการที่พร้อมสำหรับอุตสาหกรรมที่ปรับขนาดได้ซึ่งใช้พัลส์ของรังสีเลเซอร์ที่สั้นมาก ในช่วงเฟมโตวินาทีเพื่อปรับเปลี่ยนและปรับแต่งโครงสร้างอิเล็กโทรด
Matthias Trenn หัวหน้าทีมโครงสร้างพื้นผิว Fraunhofer ILT อธิบายว่า "ระยะเวลาอันสั้นของพัลส์เลเซอร์เพียงพอที่จะทำให้วัสดุระเหยออก แต่ยังป้องกันไม่ให้รูหลอมละลาย ซึ่งหมายความว่าเซลล์จะไม่สูญเสียพลังงาน"
หนึ่งในความท้าทายที่ทีมเคยเผชิญคือวิธีจัดการกับพื้นที่ขนาดใหญ่เพื่อให้ได้ปริมาณการผลิตที่จำเป็นสำหรับการผลิตภาคอุตสาหกรรม ทีม Fraunhofer แก้ไขปัญหานี้โดยใช้การจัดเรียงแบบหลายคานและการควบคุมกระบวนการแบบขนาน: โซลูชันของพวกเขาใช้เครื่องสแกนสี่เครื่อง แต่ละเครื่องมีหกคาน เพื่อประมวลผลฟอยล์แบบขนาน ครอบคลุมความกว้าง 250 มม. และประมวลผลชั้นกราไฟต์อย่างต่อเนื่อง มีรายงานว่าระบบออพติคอลแบบหลายลำแสงนี้ได้รับการพัฒนาและใช้งานโดย Fraunhofer ILT โดยความร่วมมืออย่างใกล้ชิดกับบริษัท Pulsar Photonics GmbH ซึ่งเป็นบริษัทที่แยกตัวออกมา
การวิจัยที่ดำเนินการโดยทีมงานดังกล่าวแสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีเลเซอร์สามารถใช้เป็นกระบวนการผลิตแบบดิจิทัลเพื่อปรับปรุงคุณภาพของเซลล์และเพิ่มความยั่งยืนของกระบวนการผลิตได้อย่างมีนัยสำคัญ ในขั้นต่อไป พวกเขาหวังว่าจะนำเทคโนโลยีนี้ไปใช้ตั้งแต่การขยายต้นแบบไปจนถึงสายการผลิตเชิงอุตสาหกรรม