近日，来自德国亚琛弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）的一组研究人员开发出了两种基于激光的制造技术，不仅可以在生产中大幅节省能源，还能制造出更高功率密度、更长使用寿命的电池。
当下，高性能电池已经成为了实现交通运输领域电气化的关键先决条件。上述团队的研究人员开发了创新的激光技术来生产锂离子电池——与传统生产的锂离子电池相比，这种电池可以更快地充电，使用寿命更长。此外，他们还利用激光对电池进行干燥，使之成为一种更有效的涂层水基电极的方法。
生产锂离子电池的关键步骤之一是制造石墨基电极。对于这些电极，使用卷对卷工艺在铜箔上涂上石墨膏，然后在160-180摄氏度的连续炉中干燥。燃气驱动的连续炉（在传送带上输送铜箔）除了消耗大量的能源外，还占用了大量的空间：它们通常长60-100米，在工业规模上运行时，每分钟一般能干燥100米的铜箔。
用激光实现电池高效干燥
Fraunhofer ILT的研究人员开发了一种系统，该系统能利用二极管激光器来加速干燥过程。激光束的波长为1微米，通过特殊的光学元件放大，使电极的照射面积更大。
这些光学器件是由弗劳恩霍夫的行业合作伙伴Laserline专门为干燥系统设计的。弗劳恩霍夫工业技术研究所薄膜加工小组组长Samuel Fink解释了该工艺背后的原理：“与热风干燥工艺相反，我们的二极管激光器将高强度光束投射到涂有石墨膏的铜箔上。乌黑的石墨吸收能量。由此产生的相互作用导致石墨颗粒升温，然后液体蒸发。”
Fraunhofer ILT的技术带来了许多好处：与耗电的连续炉相比，二极管激光器非常节能，而且系统向环境释放的热量很少。此外，激光干燥系统比传统的炉占用更少的空间。据Samuel Fink预测：“用二极管激光干燥将减少高达50％的能量需求，并将工业规模的干燥系统所需的空间减少至少60％。”
改进3D电极结构，提高了性能
除了这些优点，Fraunhofer ILT团队还能够利用激光，来提高锂离子电池的功率密度和寿命。具有1毫焦耳脉冲能量的高功率超短脉冲激光（USP）在电池电极中引入了一个称为通道的孔结构。这些通道就像离子的“高速公路”一样——它们显著地缩短了离子必须行进的距离，缩短了充电过程。同时，这可以防止出现缺陷，从而增加充电周期的次数，最终延长电池的使用寿命。
从理论上讲，基于激光的制造孔洞结构的工艺及其对电池的积极影响都很明显。Fraunhofer ILT的研究人员则成功将概念转化为实践：从实验室到可扩展的、工业就绪的过程，使用飞秒范围内的超短脉冲激光辐射来修改、调整电极结构。
Fraunhofer ILT表面结构团队负责人Matthias Trenn解释说：“激光脉冲的短相互作用时间足以烧蚀材料，但也可以防止孔熔化，这意味着电池不会损失电力。”
该团队一度面临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批量生产。弗劳恩霍夫团队通过使用多光束排列和并行过程控制解决了这个问题：他们的方案使用了四个扫描仪，每个有六个光束，并行处理箔。它们覆盖250毫米的宽度，并连续处理石墨层。据悉，这一多光束光学系统是Fraunhofer ILT与其衍生企业Pulsar Photonics GmbH进行密切合作开发和实施的。
上述团队进行的研究表明，激光技术可以用作数字生产过程，以提高电池的质量，并显著提高制造过程中的可持续性。下一步，他们希望将技术从原型扩展落实到工业生产线。
