Od zpracování surovin po recyklaci: Nové cesty ve výrobě baterií

12 z 24 dílčích paprsků je v provozu: Optika od Pulsar Photonics strukturuje 300 mm široké pásmo bateriové anody a tím zlepšuje hustotu výkonu a nabíjecí kapacitu. © Pulsar Photonics GmbH / 12 z 24 dílčích paprsků je v provozu: Optika vyvinutá společností Pulsar Photonics strukturuje 300 mm široké pásmo bateriové anody pomocí jednotlivých dílčích paprsků. To výrazně zlepšuje hustotu výkonu a nabíjecí kapacitu. © Pulsar Photonics GmbH

Vysoce výkonný diodový laser z výzkumného projektu IDEEL činí sériovou výrobu lithium-iontových baterií podstatně udržitelnější a ekonomičtější díky procesu rolování na role. © Fraunhofer ILT, Aachen / Vysoce výkonný diodový laser z výzkumného projektu IDEEL činí sériovou výrobu lithium-iontových baterií podstatně udržitelnější a ekonomičtější díky procesu rolování na role. © Fraunhofer ILT, Aachen, Německo

Aurora Powertrains najal u Fraunhofer ILT na míru navržený laserový svařovací systém pro svou modulární, škálovatelnou baterii na sněžné skútry. Vodotěsná a prachotěsná baterie s klasifikací IP67 má energetickou hustotu přes 190 Wh/kg. © Aurora Powertrains / Aurora Powertrains zadalo Fraunhofer ILT vývoj na míru přizpůsobeného laserového svařovacího systému pro svou modulární, škálovatelnou baterii na sněžné skútry. Vodotěsná a prachotěsná baterie s klasifikací IP67 má energetickou hustotu přes 190 Wh/kg. © Aurora Powertrains

Laserové sváření bateriových článků modrým laserem. © Fraunhofer ILT, Aachen / Laserové svařování bateriových článků modrým laserem. © Fraunhofer ILT, Aachen, Německo

Ovlákník s tištěným silovým senzorem poskytuje v jakémkoli okamžiku informace o působících silách a zaznamenává nejmenší praskliny, které se objeví před vznikem závady. © Fraunhofer ILT, Aachen / Řízení vozidla s tištěným silovým senzorem měří síly působící během používání kdykoli a zaznamenává nejmenší praskliny, které se objeví před vznikem závady. © Fraunhofer ILT, Aachen

Na wafer lze technické struktury a libovolné geometrické tvary nanést pomocí inkoustového tisku, zatímco funkční vrstvy jsou vytvářeny laserovým zářením. Poté jsou jednotlivé prvky reproduktorů odděleny a začleněny do elektronického prostředí. © Fraunhofer ILT, Aachen, Německo

Bezdotykové odhalení a odstraňování součástí plošných spojů pomocí laserového záření v recyklačním procesu projektu „ADIR“. © Fraunhofer ILT, Aachen / Non-contact exposure and desoldering of circuit board components using laser radiation in a recycling process of the "ADIR" project. © Fraunhofer ILT, Aachen, Německo

S laserem a AI k udržitelnému výrobě baterií: nákladově efektivní a spolehlivá výroba. © Fraunhofer ILT, Aachen

Použití laserů a AI pro udržitelnou výrobu baterií: nákladově efektivní a spolehlivá výroba. © Fraunhofer ILT, Aachen, Německo

Výroba baterií je v centru globální průmyslové a klimatické politiky. S celosvětově rostoucí poptávkou po energetických úložištích pro elektromobilitu a stacionární aplikace roste i význam efektivní, udržitelné a regionálně nezávislé výroby.

Obzvláště podmínky výroby baterií představují podnikům obrovské výzvy: Závislost na surovinách, jako je lithium, kobalt a nikl, způsobuje geopolitické napětí. Současně jsou dodavatelské řetězce stále křehčí kvůli globálním krizím a rostoucím nákladům na dopravu. Evropa tak stojí před úkolem vybudovat odolný hodnotový řetězec, který zahrnuje jak těžbu surovin, tak jejich zpracování a recyklaci – přičemž staré baterie jsou nejbohatším zdrojem lithia v Německu. Navíc se výrobní procesy musí být flexibilní, aby se mohly přizpůsobit novým konceptům baterií, jako jsou pevné elektrolyty nebo sodíkové-iontové baterie, kvůli jistotě investic.

Vzhledem k těmto výzvám je jasné, že budoucnost výroby baterií v Evropě lze zajistit pouze pomocí nejmodernějších technologií. Především laserová technologie nabízí řešení, která splňují klíčové požadavky – efektivitu, přesnost a udržitelnost. Ať už při zpracování materiálů, výrobě elektrod nebo recyklaci: bez inovativních laserových procesů je konkurenceschopná a udržitelná výroba baterií v Evropě téměř nemyslitelná.

Zpracování surovin a zlepšení materiálů: Základ udržitelné výroby baterií

Materiály jako lithium a nikl jsou stále součástí současných článků baterií. Jejich chemické a fyzikální vlastnosti umožňují vysokou energetickou hustotu a dlouhou životnost, jejich těžba a zpracování však přinášejí složité problémy.

Vývoj bateriových technologií však probíhá rychle s cílem minimalizovat použití vzácných a drahých surovin. CATL již v roce 2021 představila sodíkovou-iontovou baterii, která zcela opouští lithium a kobalt. V dubnu 2024 čínský výrobce baterií uvedl na trh kobalt-free lithium-železo-fosfátovou (LFP) baterii s dojezdem přes 1000 km. Za pouhých deset minut může nabít dostatek energie na 600 km, což odpovídá nabíjecí rychlosti 1 kilometr za sekundu.

Toyota plánuje od roku 2025 používat pevné baterie v hybridních vozidlech. Nissan v Japonsku zprovoznil prototypovou výrobní linku pro laminované pevné baterie. Panasonic představil pevnou baterii pro drony. VW, Mercedes, Ford a BMW jsou těsně před zavedením pevných baterií nebo již navázaly strategická partnerství.

Jedním z klíčových přístupů k novým bateriovým technologiím je zlepšení materiálů na nanoúrovni, kdy jsou suroviny cíleně upravovány a funkčně modifikovány tak, aby se maximalizoval jejich výkon v bateriích. Na tomto výzkumu pracuje oddělení povrchové technologie a tvarového odstraňování na Fraunhoferově institutu pro laserovou techniku. Moderní laserové technologie umožňují přesné zásahy do struktury materiálu a současně minimalizují spotřebu zdrojů.

Dalším příkladem úspěšného využití laserových technologií je spolupráce mezi Fraunhofer ILT, katedrou laserové techniky LLT na RWTH Aachen, TRUMPF a Německým synchrotronem DESY. Pomocí rentgenových paprsků z urychlovače částic bylo možné získat hlubší poznatky o laserových svářečských procesech. Ukázalo se, že použití laserů s zelenou vlnovou délkou zlepšuje využití materiálu a snižuje odpad. Tyto poznatky přinášejí nejen technologické výhody, ale přispívají i k udržitelnější výrobě.

„Tyto projekty ukazují, že inovativní laserová technologie dokáže nejen zvládnout výzvy při zpracování surovin, ale také umožnit udržitelnou a konkurenceschopnou výrobu baterií v Evropě,“ vysvětluje Dr. Alexander Olowinsky, vedoucí oddělení spojování a dělení na Fraunhofer ILT.

Výroba elektrod: Inovace pro udržitelnou výrobu

Nátěr vodivých fólií (měď nebo hliník) elektrolytickými materiály pro anodu a katodu a jejich následné sušení jsou klíčové kroky, které ovlivňují jak energetickou hustotu, tak cyklickou životnost baterií. Konvenční sušící metody založené na konvektorech však mají výraznou spotřebu energie a velkou náročnost na prostor, což omezuje udržitelnost a efektivitu výroby baterií.

Projekt IDEEL (Implementace laserových sušicích procesů pro ekonomickou a ekologickou výrobu lithium-iontových baterií), financovaný Spolkovým ministerstvem vzdělávání a výzkumu, ukazuje, jak laserové sušení řeší tyto výzvy: V projektu bylo poprvé realizováno sušení anod a katod v rolovací technologii pomocí výkonného diodového laseru. Tato metoda výrazně snižuje spotřebu energie, zároveň zdvojnásobuje rychlost sušení a zmenšuje prostorové nároky na polovinu.

„Laserové sušení nejen umožňuje efektivnější řízení procesu, ale také významně přispívá ke zlepšení bilance CO₂ při výrobě baterií,“ říká Dr. Samuel Moritz Fink, vedoucí skupiny tenkovrstvých procesů na Fraunhofer ILT. Fink a jeho tým společně s partnery vyvinuli laserový modul pro sušení s upravenou optikou a monitorováním procesu, který zajišťuje rovnoměrné sušení. Tento přístup nabízí i flexibilitu: stávající konvektory lze laserovou technologií modernizovat, což usnadňuje zavedení do stávajících výrobních linek.

V jiném výzkumném projektu používá Fraunhofer ILT speciálně vyvinutou vícepaprskovou optiku. Ta rozděluje laserové záření na několik částicových paprsků, které současně zpracovávají pás o šířce 250 milimetrů na lithium-iontové anodě. Tato vysoce přesná strukturalizace zvyšuje energetickou hustotu a rychlost nabíjení.

Výroba elektrod také těží z integrace umělé inteligence do výrobního procesu. Výzkumníci na Fraunhofer ILT nyní zkoumají, jak lze systémy s podporou AI využít k optimalizaci parametrů procesu. Takové systémy by mohly nejen dále zvýšit kvalitu a produktivitu, ale také položit základy pro autonomní výrobu.

Montáž článků: Přesnost a efektivita díky inovativním technologiím

Kromě sušení elektrod hraje i přesné spojení materiálů elektrod klíčovou roli ve výkonu a spolehlivosti baterií. Zde se osvědčila technologie laserového mikrosváření. Umožňuje bezkontaktní, vysoce přesné spojování materiálů, jako je měď a hliník, které jsou pro bateriové články zásadní. Díky nízké tepelné zátěži zůstává citlivá chemie článku nedotčena, zatímco elektrická vodivost je optimalizována snížením přechodových odporů. Laserové mikrosváření nabízí kombinaci flexibility a efektivity, kterou tradiční svařovací metody nedokážou dosáhnout.

Požadavky na laserové mikrosváření se liší podle formátu článku, protože každý typ článku přináší specifické výzvy při kontaktování. Valcové články vyžadují přesnou hloubku svařování, aby byla zajištěna elektrická vodivost a zároveň se předešlo poškození přehřátím. Obzvláště náročná je kontaktace záporného pólu, protože příliš vysoké teplo by mohlo poškodit citlivou polymerovou těsnící vrstvu, což by mohlo vést k úniku elektrolytu. U pouchových článků, které se vyznačují flexibilním designem a vysokou energetickou hustotou, je třeba především zabránit průsvářkám citlivých fólií.

Jedním z nadějných vývojů při montáži článků je projekt XProLas, který společnost TRUMPF realizuje ve spolupráci s Fraunhofer ILT a dalšími partnery. Cílem je vývoj kompaktních laserových rentgenových zdrojů, které umožní kontrolu kvality přímo na místě u výrobce, místo dosavadního použití velkých urychlovačů částic. Tato technologie umožňuje analyzovat bateriové články v reálném čase, což umožňuje přesné sledování nabíjecích a vybíjecích procesů i kvality materiálu. Zejména při zkoumání katodového materiálu, který zásadně ovlivňuje výkon a životnost baterie, tato metoda otevírá nové možnosti. „Pomocí brilantních rentgenových zdrojů můžeme včas odhalit kontaminace a defekty materiálu a tím výrazně zkrátit vývojové časy,“ vysvětluje Dipl.-Ing. Hans-Dieter Hoffmann, vedoucí oddělení laserových a optických systémů na Fraunhofer ILT.

Také zde přináší integrace umělé inteligence další potenciál: systémy s podporou AI mohou monitorovat a upravovat procesní parametry v reálném čase. To umožňuje včas odhalit odchylky a provést korekce, čímž se vytváří základ pro autonomní výrobu. Vize „první správné výroby na první pokus“, kdy jsou všechny komponenty sestaveny bez chyb při prvním průchodu, je tak na dosah.

Modulová a balíčková výroba: Efektivita a přesnost pomocí laserových technologií

Následně jsou jednotlivé články spojovány do modulů nebo balíčků. Zejména na úrovni modulů hraje přesnost klíčovou roli, protože je nutná integrace několika svarových spojů, aniž by se zvýšila teplotní zátěž citlivých článků. Laserové procesy, jako je mikrosváření, umožňují přesné přizpůsobení těmto požadavkům.

Jednou z klíčových inovací Fraunhofer ILT je vývoj metod, které umožňují bezpečné a přesné spojování hliníku a mědi – dvou materiálů s velmi odlišnými fyzikálními vlastnostmi. Pomocí moderního řízení laserového paprsku lze kontrolovat hloubku svaru, aby nedošlo k poškození citlivých článků.

„Tato technologie je zásadní pro výrobu modulů a balíčků, které musí spolehlivě fungovat za extrémních podmínek, jako jsou vysoké proudy a teplotní zátěže,“ vysvětluje Olowinsky. Příkladem je laserové svařování velkých válcových článků, které bylo dále rozvíjeno na Aachenském institutu ve spolupráci s partnery, například společností EAS Batteries GmbH. Při tom je kladen důraz na stabilní a dlouhodobé propojení článků, aby byla zajištěna vysoká životnost a nízká poruchovost.

Kromě laserového svařování se etablovalo i laserové pájení, zejména pro spojování citlivých komponent. Tento proces pracuje při nižších teplotách než tradiční svařovací metody a šetří tak citlivou elektroniku uvnitř modulů. To nejen zvyšuje spolehlivost bateriových balíčků, ale také přispívá k energetické účinnosti výroby.

Řízení baterií a integrace senzorů: Inteligence pro budoucí bateriové systémy

Řízení baterií je jednou z hlavních výzev moderních systémů pro ukládání energie. Bezpečnost, životnost a výkon baterií jsou zásadní – a také přijatelnost elektromobility. Pokroky v integraci senzorů a využití AI zde nabízejí transformační možnosti, jak tyto požadavky splnit.

Tradicionálně jsou baterie monitorovány na makroskopické úrovni, což však poskytuje jen omezené poznatky o složitých procesech uvnitř článků. Zde přichází na řadu integrace senzorů během výroby, kdy výzkumníci na Fraunhofer ILT přímo tisknou senzory na komponenty nebo je dokonce začleňují. Tyto senzory umožňují sledování v reálném čase, například měření teplot, sil nebo chemických změn uvnitř baterií.

„Pomocí aditivně vyráběných senzorů můžeme kontinuálně sledovat stav bateriových modulů a včas reagovat na možné chyby,“ vysvětluje Samuel Fink. Tyto senzory jsou jen několik mikrometrů tlusté, přesné a zároveň odolné vůči mechanickým a teplotním namáháním, což je činí ideálními pro použití v bateriích a bateriových modulech. Jejich schopnost kontinuálně dodávat data umožňuje prediktivní údržbu, která odhalí potenciální závady ještě před jejich vznikem.

Samotná integrace senzorů však nestačí k realizaci prediktivní údržby. Senzory mohou odhalit změny v chemii článku, zatímco algoritmy s podporou AI tyto údaje analyzují a předpovídají životnost článků. Výzkumníci na oddělení „Data Science a měřicí technika“ na Fraunhofer ILT vyvíjejí takové algoritmy s podporou AI, které analyzují velké objemy dat ze senzorů v reálném čase. Tyto systémy umožňují i dynamickou úpravu procesů, například optimalizací teplotních profilů při montáži článků nebo nastavením parametrů laserového svařování.

Recyklace a zpětné získávání: Cesta k cirkulární ekonomice v bateriové technice

S rozvojem bateriové techniky roste i potřeba udržitelných strategií pro zpětné získávání cenných surovin. Efektivní cirkulární ekonomika je nezbytná k snížení závislosti na primárních surovinách a zároveň minimalizaci dopadů výroby baterií na životní prostředí.

V projektu EU ADIR vyvíjí Fraunhofer ILT ve spolupráci s osmi partnery z tří zemí udržitelný recyklační koncept pro elektronická zařízení. V projektu ACROBAT se má vyvinout koncept recyklace lithio-železo-fosfátových baterií, ještě před jejich masovým zavedením na trh. Cílem je získat zpět více než 90 procent kritických materiálů. Společně s partnery, například společností Accurec Recycling, pracuje Fraunhofer ILT na inovativních separačních a zpracovatelských procesech, které jsou jak ekologicky, tak ekonomicky udržitelné. Aachenské laserové experty zde vyvíjejí inline metodu charakterizace, která umožní přesně hodnotit kvalitu aktivního materiálu.

Laserspektroskopická analýza (LIBS) umožňuje přesnou identifikaci a separaci složitých materiálových složení. Tuto technologii chtějí výzkumníci upravit pro recyklaci starých baterií, například pro zvýšení zpětného získávání kovů, jako je kobalt a tantal. I zde může integrace AI analyzovat velké objemy dat z laserových měření v reálném čase a odvozovat optimalizace procesů. Tato AI-řízená kontrola umožňuje dynamické přizpůsobení recyklačních parametrů, čímž se snižuje odpad a zvyšuje kvalita recyklovaných surovin.

Závěr a výhled

Výroba baterií stojí v centru přechodu k elektromobilitě a je tak v hledáčku inovací, které spojují efektivitu, udržitelnost a technologickou špičkovost. Představené technologie a vývoje v celém výrobním řetězci ukazují, jak mohou nejmodernější laserové metody otevřít cestu k udržitelné a konkurenceschopné bateriové průmyslové výrobě – od zpracování surovin přes výrobu elektrod až po montáž článků a recyklaci. Současně AI-řízené systémy analýzy a řízení přinášejí novou dimenzi kontroly procesů, která zlepšuje kvalitu výroby a udržitelnost a dále snižuje výrobní náklady.

Perspektivně mohou AI-řízené řídicí smyčky umožnit autonomní výrobu, při níž se procesy v reálném čase přizpůsobují měnícím se podmínkám. Navíc laserové rentgenové zdroje a inline charakterizační technologie otevírají nové možnosti pro zajištění kvality a analýzu materiálů.