Economia de energia significativa! Alemanha desenvolve nova solução baseada em laser para produção de baterias

Recentemente, um grupo de pesquisadores do Fraunhofer Institute for Laser Technology (Fraunhofer ILT) em Aachen, Alemanha, desenvolveu duas tecnologias de fabricação baseadas em laser que não apenas permitem uma economia significativa de energia na produção, mas também possibilitam a fabricação de maior densidade de potência, baterias de maior duração.
Hoje, as baterias de alto desempenho se tornaram um pré-requisito fundamental para a eletrificação do setor de transporte. Os pesquisadores da equipe mencionada acima desenvolveram uma tecnologia laser inovadora para produzir baterias de íon-lítio - que podem ser carregadas mais rapidamente e ter uma vida útil mais longa do que as baterias de íon-lítio produzidas convencionalmente. Além disso, eles usaram lasers para secar as baterias, tornando-se uma maneira mais eficiente de revestir eletrodos à base de água.
Uma das principais etapas na produção de baterias de íon-lítio é a fabricação de eletrodos à base de grafite. Para esses eletrodos, um processo rolo a rolo é usado para revestir a folha de cobre com pasta de grafite, que é então seca em um forno contínuo a 160-180 graus Celsius. Os fornos contínuos movidos a gás (que transportam folhas de cobre em uma correia transportadora) ocupam muito espaço, além de consumir muita energia: eles têm normalmente 60-100 metros de comprimento e podem secar 100 metros de folhas de cobre por minuto ao operar em escala industrial.
Secagem celular eficiente com lasers
Os pesquisadores do Fraunhofer ILT desenvolveram um sistema que usa um laser de diodo para acelerar o processo de secagem. O feixe de laser tem comprimento de onda de 1 mícron e é amplificado por óticas especiais que permitem que uma área maior seja irradiada pelos eletrodos.
A ótica foi projetada especificamente para o sistema de secagem pela Laserline, parceira industrial da Fraunhofer. Samuel Fink, chefe do grupo de processamento de filme fino do Fraunhofer Institute for Industrial Technology, explica o princípio por trás do processo: "Em contraste com o processo de secagem por ar quente, nosso laser de diodo projeta um feixe de alta intensidade em uma folha de cobre revestido com pasta de grafite. O grafite preto absorve a energia. A interação resultante faz com que as partículas de grafite aqueçam e, em seguida, o líquido evapora."
A tecnologia do Fraunhofer ILT oferece vários benefícios: o laser de diodo é muito eficiente em termos de energia em comparação com fornos contínuos que consomem energia, e o sistema libera muito pouco calor para o ambiente. Além disso, os sistemas de secagem a laser ocupam menos espaço do que os fornos convencionais. De acordo com Samuel Fink, "a secagem com um laser de diodo reduzirá os requisitos de energia em até 50% e reduzirá o espaço necessário para sistemas de secagem em escala industrial em pelo menos 60% ."
A estrutura aprimorada do eletrodo 3D melhora o desempenho
Além desses benefícios, a equipe do Fraunhofer ILT conseguiu usar o laser para aumentar a densidade de energia e a vida útil das baterias de íon-lítio. Um laser de pulso ultracurto de alta potência (USP) com energia de pulso de 1 milijoule introduz uma estrutura de orifício chamada canal no eletrodo da bateria. Esses canais atuam como "rodovias" para os íons - eles encurtam significativamente a distância que os íons devem percorrer, encurtando o processo de carregamento. Ao mesmo tempo, isso evita o aparecimento de defeitos, aumentando assim o número de ciclos de carga e, finalmente, prolongando a vida útil da bateria.
O processo baseado em laser para fabricar estruturas de furos e seu impacto positivo nas baterias é teoricamente óbvio, e os pesquisadores do Fraunhofer ILT conseguiram traduzir o conceito em prática: do laboratório para um processo escalável e pronto para a indústria que usa pulsos ultracurtos de radiação laser na faixa de femtossegundos para modificar e ajustar estruturas de eletrodos.
Matthias Trenn, chefe da equipe de estrutura de superfície do Fraunhofer ILT, explica: "Os curtos tempos de interação dos pulsos de laser são suficientes para remover o material, mas também para evitar que os orifícios derretam, o que significa que as células não perdem energia."
Um dos desafios que a equipe já enfrentou foi como lidar com áreas maiores para atingir o volume de produção necessário para a produção industrial. A equipe de Fraunhofer resolveu esse problema usando um arranjo multifeixe e controle de processo paralelo: sua solução usa quatro scanners, cada um com seis feixes, para processar as folhas em paralelo. Eles cobrem uma largura de 250 mm e processam as camadas de grafite continuamente. É relatado que este sistema óptico multifeixe foi desenvolvido e implementado pela Fraunhofer ILT em estreita cooperação com sua empresa spin-off Pulsar Photonics GmbH.
A pesquisa realizada pela equipe mencionada mostrou que a tecnologia laser pode ser usada como um processo de produção digital para melhorar a qualidade das células e aumentar significativamente a sustentabilidade do processo de fabricação. Como próximo passo, eles esperam implementar a tecnologia desde extensões de protótipos até linhas de produção industrial.