Van de grondstofvoorbereiding tot recycling: Nieuwe wegen in de batterijproductie

12 van de 24 deelstralen in gebruik: De optiek van Pulsar Photonics structureert de 300 mm brede band van de batterij-anode en verbetert zo de vermogensdichtheid en laadcapaciteit. © Pulsar Photonics GmbH / 12 van de 24 deelstralen in gebruik: De door Pulsar Photonics ontwikkelde optiek structureert de 300 mm brede band van de batterij-anode met behulp van de individuele deelstralen. Dit verbetert de vermogensdichtheid en laadcapaciteit aanzienlijk. © Pulsar Photonics GmbH

De hoogvermogen-diode laser uit het IDEEL-onderzoeksproject maakt de serieproductie van lithium-ionbatterijen aanzienlijk duurzamer en economischer dankzij het roll-to-roll proces. © Fraunhofer ILT, Aken / The high-power diode laser from the IDEEL research project makes the series production of lithium-ion batteries significantly more sustainable and economical thanks to the roll-to-roll process. © Fraunhofer ILT, Aachen, Germany

Aurora Powertrains heeft bij Fraunhofer ILT een op maat gemaakt lasersysteem ontwikkeld voor zijn modulaire, schaalbare sneeuwscooterbatterij. De water- en stofdichte batterij met IP67-classificatie heeft een energiedichtheid van meer dan 190 Wh/kg. © Aurora Powertrains

Laserstrahlschweißen von Batteriezellen mit blauem Laser. © Fraunhofer ILT, Aachen / Laser welding of battery cells with a blue laser. © Fraunhofer ILT, Aachen, Deutschland

De auto-onderarm met gedrukt krachtensensor meet op elk gewenst moment de tijdens gebruik werkende krachten en registreert de kleinste scheurtjes die ontstaan voordat een defect zich voordoet. © Fraunhofer ILT, Aken / Een auto-onderarm met gedrukt krachtensensor meet de krachten die tijdens gebruik optreden op elk moment en registreert de kleinste scheurtjes die ontstaan voordat een defect zich ontwikkelt. © Fraunhofer ILT, Aken

Op de wafer kunnen technische structuren en willekeurige geometrieën worden aangebracht door middel van inkjetprinten, terwijl de functionalisatie wordt uitgevoerd met laserstraling. De individuele luidsprekeronderdelen worden vervolgens gescheiden en geïntegreerd in een elektronische omgeving. © Fraunhofer ILT, Aken

Contactloze blootlegging en ontloting van printplaatcomponenten met behulp van laserstraling in een recyclingproces van het »ADIR«-project. © Fraunhofer ILT, Aken / Non-contact blootstelling en ontloting van printplaatonderdelen met laserstraling in een recyclingproces van het »ADIR«-project. © Fraunhofer ILT, Aken, Duitsland

Met laser en AI naar duurzame batterijproductie: kosteneffectief en betrouwbaar in de productie. © Fraunhofer ILT, Aken

Het gebruik van lasers en AI voor duurzame batterijproductie: kosteneffectieve en betrouwbare productie. © Fraunhofer ILT, Aken, Duitsland

De batterijproductie staat centraal in de wereldwijde industrie- en klimaatpolitiek. Met de wereldwijd toenemende vraag naar energieopslag voor elektrisch vervoer en stationaire toepassingen wordt ook het belang van een efficiënte, duurzame en regionaal onafhankelijke productie groter.

Met name de randvoorwaarden van de batterijproductie stellen bedrijven voor enorme uitdagingen: De afhankelijkheid van grondstoffen zoals lithium, kobalt en nikkel zorgt voor geopolitieke spanningen. Tegelijkertijd worden toeleveringsketens door wereldwijde crises en stijgende transportkosten steeds fragieler. Europa staat dus voor de taak een veerkrachtige waardeketen op te bouwen die zowel de winning van grondstoffen als de verdere verwerking en recycling omvat – al zijn oude batterijen de meest winstgevende Duitse lithiumbron. Daarnaast moeten productieprocessen flexibel worden aangepast aan nieuwe batterijconcepten zoals vaste-stof- of natrium-ionbatterijen, om investeringszekerheid te garanderen.

Gezien deze uitdagingen wordt duidelijk dat de toekomst van de batterijproductie in Europa alleen kan worden veiliggesteld door het gebruik van geavanceerde technologieën. Vooral lasertechnologie biedt oplossingen om te voldoen aan de kernvereisten – efficiëntie, precisie en duurzaamheid. Of het nu gaat om materiaalkunde, de productie van elektroden of recycling: zonder innovatieve laserprocessen is een concurrerende en duurzame batterijproductie in Europa nauwelijks denkbaar.

Grondstoffenvoorbereiding en materiaalfijnslijpen: De basis voor een duurzame batterijproductie

Materialen zoals lithium en nikkel blijven onderdelen van huidige batterijcellen. Hun chemische en fysische eigenschappen maken hoge energiedichtheden en lange levensduur mogelijk, maar de winning en verwerking brengen complexe problemen met zich mee.

Toch ontwikkelen batterijtechnologieën zich razendsnel, met als doel het gebruik van zeldzame en dure grondstoffen te minimaliseren. CATL presenteerde al in 2021 een natrium-ionbatterij die volledig zonder lithium en kobalt werkt. In april 2024 heeft de Chinese batterijfabrikant een kobaltvrije lithium-ijzerfosfaat (LFP) batterij geïntroduceerd met een bereik van meer dan 1000 kilometer. In slechts tien minuten kan hij genoeg energie laden voor 600 kilometer, wat een laadsnelheid van één kilometer per seconde betekent.

Toyota plant vanaf 2025 vaste-stofbatterijen in hybridevoertuigen te gebruiken. Nissan heeft in Japan een prototypeproductielijn voor gelamineerde vaste-stofbatterijen in gebruik genomen. Panasonic heeft een vaste-stofbatterij voor drones gepresenteerd. VW, Mercedes, Ford en BMW staan op het punt vaste-stofbatterijen te introduceren of zijn strategische partnerschappen aangegaan.

Een belangrijke aanpak voor nieuwe batterijtechnologieën is materiaalfijnslijpen op nano-niveau, waarbij grondstoffen doelgericht worden voorbereid en functioneel gemaakt om hun prestatievermogen in batterijen te maximaliseren. Daar wordt onderzoek naar gedaan door de afdeling oppervlakte- en vormbewerking van het Fraunhofer-Institut für Lasertechnik. Moderne lasertechnologieën maken nauwkeurige ingrepen in de materiaalsamenstelling mogelijk en minimaliseren tegelijkertijd het hulpbronnenverbruik.

Een ander voorbeeld van het succesvolle gebruik van lasertechnologieën is de samenwerking tussen het Fraunhofer ILT, de leerstoel voor lasertechniek LLT van de RWTH Aachen, TRUMPF en het Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY. Door gebruik te maken van röntgenstralen van een deeltjesversneller konden diepere inzichten worden verkregen in laserlastechnieken. Daarbij bleek dat het gebruik van lasers met groene golflengte de materiaalefficiëntie verbetert en de afvalproductie vermindert. Deze bevindingen bieden niet alleen technologische voordelen, maar dragen ook bij aan een duurzamere productie.

»Deze projecten tonen aan dat innovatieve lasertechnologie niet alleen de uitdagingen van de grondstoffenvoorbereiding aankan, maar ook een duurzame en concurrerende batterijproductie in Europa mogelijk maakt«, verklaart Dr. Alexander Olowinsky, afdelingshoofd lassen en scheiden bij het Fraunhofer ILT.

Elektrodenproductie: Innovaties voor een duurzame productie

De coating van de stroomgeleidingsfolies (koper of aluminium) met de elektrodematerialen voor anode en kathode en de daaropvolgende droging zijn cruciale stappen die zowel de energiedichtheid als de cyclische levensduur van de batterijen beïnvloeden. Traditionele droogmethoden op basis van convectieovens verbruiken echter veel energie en nemen veel ruimte in beslag, wat de duurzaamheid en efficiëntie van de batterijproductie beperkt.

Het door het Bundesministerium für Bildung und Forschung gefinancierde project IDEEL (Implementation of Laser Drying Processes for Economical & Ecological Lithium Ion Battery Production) laat zien hoe laser-drogen deze uitdagingen oplossen: In het project werd voor het eerst de droging van anodes en kathodes in rol-naar-rol-processen gerealiseerd met behulp van een hoogvermogen diodelaser. Deze methode verlaagt het energieverbruik aanzienlijk, verdubbelt de droogingssnelheid en halveert de benodigde ruimte.

»De laser-drogingsmethode maakt niet alleen een efficiëntere procesvoering mogelijk, maar helpt ook de CO₂-balans van de batterijproductie aanzienlijk te verbeteren«, zegt Dr. Samuel Moritz Fink, groepsleider dunne-laag processen bij het Fraunhofer ILT. Fink en zijn team ontwikkelden samen met de projectpartners een laser-droogmodule met aangepaste optiek en procesbewaking die een gelijkmatige droging garandeert. Deze aanpak biedt bovendien flexibiliteit: bestaande convectieovens kunnen worden uitgerust met lasertechnologie, wat de implementatie in bestaande productielijnen vergemakkelijkt.

In een ander onderzoeksproject gebruikt het Fraunhofer ILT een speciaal ontwikkelde multistraal-optiek. Deze verdeelt het laserlicht in meerdere deelstralen die gelijktijdig een 250 millimeter breed band van een lithium-ionbatterijanode bewerken. Deze zeer precieze structuurverwerking verhoogt de energiedichtheid en snellaadcapaciteit.

De elektrodenproductie profiteert ook van de integratie van kunstmatige intelligentie in het productieproces. Onderzoekers van het Fraunhofer ILT onderzoeken momenteel hoe KI-gestuurde systemen kunnen worden ingezet voor het optimaliseren van procesparameters. Dergelijke systemen kunnen niet alleen de kwaliteit en productiviteit verder verhogen, maar ook de basis leggen voor autonome productie.

Celassemblage: Precisie en efficiëntie door innovatieve technologieën

Naast het drogen van de elektroden speelt ook de nauwkeurige verbinding van de elektrodematerialen een centrale rol voor de prestatie en betrouwbaarheid van batterijen. Hier heeft laser-microlassen zich als sleuteltechnologie bewezen. Het maakt contactloze, hoogprecisie lassen van materialen zoals koper en aluminium mogelijk, die essentieel zijn voor batterij-elektroden. Door de geringe thermische belasting blijft de gevoelige celchemie onaangetast, terwijl de elektrische geleidbaarheid wordt geoptimaliseerd door verminderde overgangsweerstanden. Laser-microlassen biedt een combinatie van flexibiliteit en efficiëntie die traditionele lasmethoden niet kunnen evenaren.

De eisen aan laser-microlassen variëren afhankelijk van het celformaat, omdat elke celsoort specifieke uitdagingen bij de contactvorming met zich meebrengt. Cylindrische cellen vereisen een nauwkeurige lase-diepte om enerzijds de elektrische geleidbaarheid te waarborgen en anderzijds beschadigingen door oververhitting te voorkomen. Vooral de contactvorming van de negatieve pool is veeleisend, omdat een te hoge warmtebelasting de gevoelige polymeren afdichting kan beschadigen, wat kan leiden tot lekkage van het elektrolyt. Bij pouch-cellen, die zich kenmerken door flexibel ontwerp en hoge energiedichtheid, moeten vooral doorlassingen van de gevoelige folieafdekking worden vermeden.

Een veelbelovende ontwikkeling in de celassemblage is het project XProLas, dat TRUMPF samen met het Fraunhofer ILT en andere partners uitvoert. Het doel is de ontwikkeling van compacte, laser-gedreven röntgenbronnen die kwaliteitscontrole ter plaatse bij de fabrikant mogelijk maken, in plaats van zoals tot nu toe via grote deeltjesversnellers. Deze technologie maakt het mogelijk om batterijcellen in realtime te analyseren, waardoor zowel laad- en ontlaadprocessen als de materiaalkwaliteit nauwkeurig kunnen worden bewaakt. Vooral bij de analyse van het kathodemateriaal, dat bepalend is voor de prestaties en duurzaamheid van een batterij, opent deze methode nieuwe mogelijkheden. »Door gebruik te maken van briljante röntgenbronnen kunnen we verontreinigingen en materiaalfouten vroegtijdig detecteren en zo de ontwikkeltijd aanzienlijk verkorten«, zegt Dipl.-Ing. Hans-Dieter Hoffmann, afdelingshoofd Laser en Optische Systemen bij het Fraunhofer ILT.

Ook hier biedt de integratie van kunstmatige intelligentie extra potentieel: KI-gestuurde systemen kunnen procesparameters in realtime bewaken en aanpassen. Zo kunnen afwijkingen vroegtijdig worden herkend en gecorrigeerd, wat de basis vormt voor autonome productie. De visie van een »First-time-right«-productie, waarbij alle componenten foutloos in één keer worden gemonteerd, komt daarmee dichterbij.

Module- en packproductie: Efficiëntie en precisie door lasertechnologieën

Hierna worden de individuele cellen verbonden tot modules of packs. Vooral op moduloniveau speelt precisie een cruciale rol, omdat de integratie van meerdere lasnaden vereist is zonder de thermische belasting van de gevoelige cellen te verhogen. Laserprocessen zoals het microlassen maken een maatwerkafstemming op deze eisen mogelijk.

Een van de kerninnovaties van het Fraunhofer ILT is de ontwikkeling van procedures die het lassen van aluminium en koper – beide materialen met zeer verschillende fysische eigenschappen – veilig en nauwkeurig mogelijk maken. Met behulp van geavanceerde laserstraalgeleiding kan de lasdiepte worden gecontroleerd om delicate cellen niet te beschadigen.

»Deze technologie is essentieel voor de productie van modules en packs die onder extreme omstandigheden, zoals hoge stromen en thermische belastingen, betrouwbaar moeten functioneren«, verklaart Olowinsky. Een voorbeeld hiervan is het laserlassen van grote cylindrische cellen, dat samen met partners zoals EAS Batteries GmbH verder is ontwikkeld aan het Aachense instituut. Daarbij wordt gezorgd voor een stabiele en duurzame schakeling van de cellen om een lange levensduur en lage uitval te garanderen.

Naast het laserlassen is ook het laserlassen van hittegevoelige componenten ingeburgerd. Deze methode werkt bij lagere temperaturen dan traditionele lastechnieken en spaart zo gevoelige elektronica binnen de modules. Dit verhoogt niet alleen de betrouwbaarheid van de batterijpacks, maar draagt ook bij aan de energie-efficiëntie van de productie.

Batterijbeheer en sensorinzet: Intelligentie voor toekomstbestendige batterijsystemen

Het batterijbeheer vormt een van de centrale uitdagingen van moderne energiesystemen. De veiligheid, levensduur en prestatievermogen van batterijen hangen hier sterk van af – en niet in de laatste plaats de acceptatie van elektrisch vervoer. Vooruitgang in sensorinzet en het gebruik van KI bieden hier transformerende mogelijkheden om aan deze eisen te voldoen.

Traditioneel worden batterijen op macroscopisch niveau bewaakt, wat echter slechts beperkte inzichten biedt in de complexe processen binnen de cellen. Hier biedt de integratie van sensoren tijdens de productie nieuwe mogelijkheden. Onderzoekers van het Fraunhofer ILT printen sensoren direct op componenten of integreren slimme meetinstrumenten zelfs. Deze sensoren maken realtime bewaking mogelijk, zoals het meten van temperaturen, krachten of zelfs chemische veranderingen binnen de batterijen.

»Met additief vervaardigde sensoren kunnen we de toestand van de batterijmodules continu bewaken en vroegtijdig reageren op mogelijke fouten«, legt Samuel Fink uit. Deze sensoren zijn slechts enkele micrometers dik, nauwkeurig en tegelijkertijd bestand tegen mechanische en thermische belastingen, waardoor ze ideaal zijn voor gebruik in de batterij en batterijmodules. Hun vermogen om continu gegevens te leveren, maakt voorspellend onderhoud mogelijk, dat potentiële defecten detecteert voordat ze optreden.

De integratie van sensoren alleen is echter niet voldoende om Predictive Maintenance te realiseren. Sensoren kunnen veranderingen in de cellenchemie detecteren, terwijl KI-algoritmen deze gegevens analyseren en voorspellingen doen over de levensduur van de cellen. Onderzoekers van de afdeling »Data Science en Messtechnik« van het Fraunhofer ILT ontwikkelen dergelijke KI-gestuurde algoritmen die grote hoeveelheden sensordata in realtime analyseren. Deze systemen maken het ook mogelijk processen dynamisch aan te passen, bijvoorbeeld door het optimaliseren van temperatuurprofielen tijdens de celassemblage of het aanpassen van lasparameters.

Recycling en hergebruik: De weg naar een circulaire economie in de batterijtechniek

Met de opkomst van batterijtechnologie groeit ook de noodzaak voor duurzame strategieën voor het terugwinnen van waardevolle grondstoffen. Een effectieve circulaire economie is onmisbaar om de afhankelijkheid van primaire grondstoffen te verminderen en tegelijkertijd de milieueffecten van de batterijproductie te minimaliseren.

In het EU-project ADIR ontwikkelt het Fraunhofer ILT samen met acht projectpartners uit drie landen een haalbaar recyclingconcept voor elektronische apparaten. Bij het project ACROBAT wordt een concept ontwikkeld voor het recyclen van lithium-ijzerfosfaatbatterijen, voordat ze de markt massaal gaan domineren. Het doel van het project is om meer dan 90 procent van de kritische materialen terug te winnen. Samen met partners zoals Accurec Recycling werkt het Fraunhofer ILT aan innovatieve scheidings- en verwerkingsmethoden die zowel ecologisch als economisch duurzaam zijn. De Aachense laserexperts ontwikkelen hierbij een inline-kwaliteitsbeoordelingsmethode om de kwaliteit van het actieve materiaal nauwkeurig te beoordelen.

De laserspectroscopische analyse (LIBS) maakt een nauwkeurige identificatie en scheiding van complexe materiaalsamenstellingen mogelijk. Deze technologie willen de onderzoekers aanpassen voor het recyclen van oude batterijen, bijvoorbeeld om de terugwinning van metalen zoals kobalt en tantalium verder te verbeteren. Ook hier kan de integratie van KI de grote hoeveelheden lasermetingen in realtime analyseren en procesoptimalisaties afleiden. Deze KI-gestuurde bewaking maakt een dynamische aanpassing van de recyclingparameters mogelijk, waardoor afval wordt verminderd en de kwaliteit van de gerecyclede grondstoffen wordt verhoogd.

Conclusie en vooruitzicht

De batterijproductie staat centraal in de energietransitie naar elektrisch vervoer en daarmee in de focus van innovaties die efficiëntie, duurzaamheid en technologische topkwaliteit combineren. De gepresenteerde technologieën en ontwikkelingen langs de hele productieketen tonen hoe geavanceerde lasertechnologieën de weg kunnen effenen naar een duurzame en concurrerende batterijindustrie – van grondstoffenvoorbereiding via elektrodenproductie tot celassemblage en recycling. Tegelijkertijd creëren KI-gestuurde analyse- en controlesystemen een nieuwe dimensie in procescontrole die de productkwaliteit en duurzaamheid verbetert en de productiekosten verder verlaagt.

Perspectiefgericht kunnen KI-gestuurde regelkringen een autonome productie mogelijk maken, waarbij processen in realtime worden aangepast aan veranderende omstandigheden. Daarnaast bieden laser-gedreven röntgenbronnen en inline-kwaliteitscontroletechnologieën nieuwe mogelijkheden voor kwaliteitsborging en materiaalanalyse.