Een van de cruciale vragen bij de transformatie van mobiliteit is “hoe kunnen e-voertuigen tegelijkertijd duurzaam en economisch worden geproduceerd?”. Het Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aken, Duitsland, dat samen met industriële partners elektrificerende oplossingen voor lasertechnologie heeft ontwikkeld, heeft verschillende antwoorden. Onder andere nLight Plasmo, Precitec en 4D Photonics presenteren de bewaking van lasergelaste verbindingen op het LSE – Laser Symposium Electromobility 2024 op 23 en 24 januari. De bedrijven zullen live op locatie demonstreren hoe hun procesbewaking zorgt voor foutloze lasprocessen.
Herbert Diess, de voormalige CEO van de Volkswagen Group, beschreef de batterij als het “hart van de elektrische auto en de sleutel tot de toekomst van mobiliteit”. Dit wordt ook weerspiegeld in de prijs: Volgens het Duitse Federale Ministerie voor Economische Zaken en Klimaatactie (BMWi) vertegenwoordigt de batterij tot 40 procent van de toegevoegde waarde van een elektrisch voertuig. Geen wonder dus dat er alleen al in Europa 40 gigafabrieken voor batterijen in aanbouw of in planning zijn.
Nu moet de industrie de al aanzienlijk lagere batterijkosten van iets minder dan 100 US dollar per kilowattuur nog verder verlagen. Prof. Arnold Gillner, hoofd van de afdeling Business Development bij Fraunhofer ILT, noemde in januari 2023 tijdens het Laser Symposium Electromobility LSE’23 twee belangrijke taken: “Naast het verminderen van het energieverbruik bij de productie van batterijen is het belangrijk om hun energiedichtheid op de lange termijn te verhogen door middel van nieuwe materialen.”
In het eigen Battery Lab van de ILT heeft het Fraunhofer-team toegang tot ultramoderne technologie en een breed scala aan apparatuur voor lasergebaseerde batterijproductie op een oppervlakte van bijna 140 vierkante meter om nieuwe materialen en processen te onderzoeken. Er zijn elektrische en mechanische testopstellingen waarmee gebruikers de laserprocessen van zowel de huidige standaard lithium-ion accu’s met vloeibare elektrolyten als toekomstige vastestofaccu’s direct kunnen evalueren.
Het Battery Lab heeft een argon-gevoed handschoenkastsysteem dat op vacuüm gebaseerde PVD-coatingtechnologie en een oven voor hoge temperaturen integreert. Dit maakt het mogelijk om luchtgevoelige materialen voor solid-state cellen te coaten en ze vervolgens samen te voegen tot testcellen.
Drogen met diodelaser halveert energieverbruik
Op de Hannover Messe in 2023 demonstreerden de Akense onderzoekers hoe het energieverbruik drastisch kan worden verlaagd bij het drogen van de grafietelektroden van lithium-ionbatterijen. Tot nu toe droogden continue gasovens de koperfolies die bedekt waren met grafietpasta bij een temperatuur van 160 tot 180 graden Celsius in een rol-naar-rol proces. De onderzoekers uit Aken vervangen dit hoog-energetische proces door een systeem met een diodelaser die de elektrode over een groot oppervlak verwarmt met behulp van een speciaal optisch systeem. Samuel Fink, groepsleider voor dunne-filmprocessen bij Fraunhofer ILT, zegt: “Drogen met de diodelaser vermindert de energiebehoefte met wel 50 procent en de benodigde ruimte voor een droogsysteem op industriële schaal met minstens 60 procent.”
De onderzoekers hebben ook hun zinnen gezet op energiedichtheid: In Hannover presenteerde het instituut een ultrakortepulslaser met een hoog vermogen die de infrarode gepulseerde laserstraal opsplitst in 24 deelbundels om de elektroden van de batterij te structureren. Het optische systeem met meerdere bundels werd ontwikkeld en geïmplementeerd in nauwe samenwerking met Pulsar Photonics GmbH, een Fraunhofer ILT spin-off die in 2013 werd opgericht.
Er worden kanalen gevormd die fungeren als ionensnelwegen, waardoor de afstand die de ionen afleggen korter wordt en het laadproces dus sneller verloopt. Dit voorkomt defecten, verhoogt het aantal laadcycli en verlengt de levensduur van de batterij. Het proces is niet nieuw, maar de Fraunhofer-onderzoekers zijn erin geslaagd om het van laboratoriumschaal om te zetten naar een schaalbaar proces dat klaar is voor de industrie. “In de volgende stap zullen we de technologie van het prototype opschalen naar een industriële productielijn,” legt Matthias Trenn, teamleider Surface Structuring bij Fraunhofer ILT, uit.
Inspiratie uit het noordpoolgebied
Het gebruik van lasers voor het lassen van batterijen is een centraal aspect van industriële batterijproductie en dus ook voor de Akense onderzoekers. Het spectrum van hun projecten varieert van een lasproces dat geschikt is voor grootschalige productie voor stroomrails van snellaad- en ontlaadbatterijen, een systeem voor laserlassen van grote cilindrische lithium-ioncellen voor krachtige toepassingen (40 tot 50 ampère-uur), tot geïntegreerde oplossingen zoals voor Aurora Powertrains uit Finland.
De start-up uit Lapland heeft een waterdichte en stofdichte batterij met IP67-classificatie ontwikkeld voor zijn elektrische sneeuwscooter eSled, die een hoge energiedichtheid heeft van meer dan 190 Wh/kg. De aangepaste lasertechnologie die is ontwikkeld bij Fraunhofer ILT verbindt hiervoor de aluminium celgeleider met de koperen geleider.
“Omdat het aluminium in de productie bovenop ligt, is het voordeel van absorptie bij groene of blauwe lasergolflengten niet zo groot als bij koper,” zegt Dr. Alexander Olowinsky, hoofd van de afdeling Joining and Cutting bij Fraunhofer ILT, die de details van de laseroplossing uitlegt. “De enkelmodus infraroodlaser met een kleine straaldiameter is de elegantere, snellere en aanzienlijk kosteneffectievere oplossing, omdat de straalkwaliteit momenteel nog slechter is met groen of blauw door het systeem.”
DESY: Diep inzicht in het lasproces
Dit voorbeeld laat zien hoe de keuze van de juiste straalbron afhangt van de specifieke toepassing. Om de basiskennis te verdiepen, werkten de Fraunhofer-onderzoekers samen met onderzoekers van de Leerstoel Lasertechnologie LLT en het hightechbedrijf Trumpf bij het Duitse elektronensynchrotron DESY in Hamburg om te onderzoeken met welke golflengte elektrische kopercontacten van hoogwaardige elektronica voor e-voertuigen betrouwbaar, stabiel en snel kunnen worden gelaserd. De antwoorden werden gegeven door de zeer briljante straling van de PETRA III synchrotronring bij DESY, die tot 20.000 beelden per seconde kan opnemen.
Ondersteund door de experts van het Helmholtz Center Hereon, gebruikte het team een röntgenstraal om door het gesmolten koper in de laserstraal te kijken. De experimenten bewezen niet alleen dat het non-ferrometaal het beste gelast kan worden met groen laserlicht. De haarscherpe röntgenvideo’s van de laserprocessen lieten ook voor het eerst zien hoe de kleinste veranderingen in de laserparameters van invloed zijn op de inbranddiepte van de las, de vorming van poriën en de vorming van spatten.
Door deze gegevens te evalueren kunnen de partners de laserlasprocessen beter begrijpen en dienovereenkomstig optimaliseren in de projecten. Maar het Fraunhofer ILT gaat nog een stap verder:In Aken worden al voorbereidingen getroffen voor het volgende bundeltijdperk.”Naast snijden, lassen en boren willen we bij DESY in de toekomst ook 3D-printen van metalen onder de loep nemen,” onthult Alexander Olowinsky.Geïnteresseerden kunnen meer te weten komen over de resultaten van Fraunhofer ILT’s onderzoek en ontwikkeling op het gebied van elektromobiliteit tijdens het LSE – Laser Symposium Electromobility 2024 op 23 en 24 januari.Daar zullen nLight Plasmo, Precitec en 4D Photonics demonstreren hoe hun procesbewakingssystemen zorgen voor foutloze lasprocessen.
