文/Fraunhofer ILT

電池生產(chǎn)是全球工業(yè)和氣候政策的核心。事實(shí)上，全球范圍內(nèi)對(duì)用于電動(dòng)汽車(chē)和固定式應(yīng)用的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的需求正在增長(zhǎng)，高效、可持續(xù)且在區(qū)域?qū)用鎸?shí)現(xiàn)自主電池生產(chǎn)的重要性也與日俱增。

電池生產(chǎn)所處的商業(yè)和監(jiān)管環(huán)境，給企業(yè)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)：例如，對(duì)鋰、鈷和鎳等原材料的依賴正引發(fā)地緣政治緊張局勢(shì)。與此同時(shí)，隨著全球危機(jī)的加劇和運(yùn)輸成本的上升，供應(yīng)鏈變得愈發(fā)脆弱。因此，構(gòu)建一條涵蓋原材料開(kāi)采、深加工以及回收利用的電池生產(chǎn)價(jià)值鏈，將尤為重要。此外，生產(chǎn)工藝必須靈活適應(yīng)固態(tài)電池或鈉離子電池等新的電池設(shè)計(jì)，以保障對(duì)這些電池的投資。

鑒于這些挑戰(zhàn)，顯然只有運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)，特別是激光技術(shù)，來(lái)滿足效率、精度和可持續(xù)性等關(guān)鍵要求。無(wú)論是在材料加工、電極生產(chǎn)還是回收利用方面，創(chuàng)新的激光工藝都對(duì)有競(jìng)爭(zhēng)力且可持續(xù)的電池生產(chǎn)功不可沒(méi)。

原材料加工與材料提純：可持續(xù)電池生產(chǎn)的基礎(chǔ)

鋰和鎳等材料仍是當(dāng)前電池電芯的組成部分。它們的化學(xué)和物理特性，使得高能量密度和長(zhǎng)壽命成為可能，但它們的開(kāi)采和加工非常復(fù)雜。

電池技術(shù)迅速發(fā)展，該行業(yè)的目標(biāo)是盡量減少對(duì)稀有且昂貴原材料的使用。寧德時(shí)代（CATL）在 2021 年推出了一款完全不含鋰和鈷的鈉離子電池；2024 年 4 月，又推出了一款無(wú)鈷磷酸鐵鋰（LFP）電池，單次充電可使汽車(chē)行駛超過(guò) 1000 公里，僅需10分鐘，就能充夠行駛 600 公里的電量，相當(dāng)于每秒充電可行駛1公里。

豐田計(jì)劃從 2025 年起在混合動(dòng)力汽車(chē)中使用固態(tài)電池。日產(chǎn)也已經(jīng)在日本運(yùn)營(yíng)了一家層壓固態(tài)電池的原型生產(chǎn)工廠。松下已經(jīng)推出了一款用于無(wú)人機(jī)的固態(tài)電池。大眾、奔馳、福特和寶馬也都將推出固態(tài)電池，或者已經(jīng)建立了戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系。

新電池技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵起點(diǎn)是納米級(jí)的材料提純；在這方面，對(duì)原材料需要進(jìn)行專門(mén)加工和功能化處理，以最大限度地發(fā)揮它們?cè)陔姵刂械男阅�。這正是德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer ILT）表面技術(shù)與燒蝕部門(mén)正在研究的課題。利用現(xiàn)代激光技術(shù)，該部門(mén)可以精確地干預(yù)材料結(jié)構(gòu)，同時(shí)將資源消耗降至最低。

激光技術(shù)成功應(yīng)用的另一個(gè)例子是Fraunhofer ILT、德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)、通快公司和德國(guó)電子同步加速器（DESY）之間的合作。通過(guò)使用來(lái)自粒子加速器的 X 射線，工程師們得以更深入地了解激光焊接工藝。他們發(fā)現(xiàn)，使用綠光波長(zhǎng)的激光可以提高材料利用率并減少?gòu)U料。他們的研究成果不僅具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，還有助于實(shí)現(xiàn)更可持續(xù)的生產(chǎn)。

“這些項(xiàng)目表明，創(chuàng)新的激光技術(shù)不僅可以克服原材料加工方面的挑戰(zhàn)，還能助力實(shí)現(xiàn)可持續(xù)且具有競(jìng)爭(zhēng)力的電池生產(chǎn)。”Fraunhofer ILT焊接與切割部門(mén)負(fù)責(zé)人Alexander Olowinsky博士解釋道。

電極生產(chǎn)：實(shí)現(xiàn)可持續(xù)生產(chǎn)的創(chuàng)新

當(dāng)前的導(dǎo)體箔（銅或鋁）必須涂覆用于陽(yáng)極和陰極的電極材料，然后進(jìn)行干燥處理 —— 這些是影響電池能量密度和循環(huán)壽命的關(guān)鍵步驟。然而，基于對(duì)流烤箱的傳統(tǒng)干燥工藝會(huì)消耗大量能源，并且需要占用大量空間，這限制了電池生產(chǎn)的可持續(xù)性和效率。

由德國(guó)聯(lián)邦教育與研究部資助的 IDEEL 項(xiàng)目（用于經(jīng)濟(jì)且生態(tài)的鋰離子電池生產(chǎn)的激光干燥工藝的實(shí)施）展示了激光干燥如何解決這些挑戰(zhàn)：在該項(xiàng)目中，首次使用高功率二極管激光器，通過(guò)卷對(duì)卷工藝對(duì)陽(yáng)極和陰極進(jìn)行干燥處理。這種方法顯著降低了能源消耗，使干燥速度提高了一倍，所需空間減少了一半（見(jiàn)圖1）。

圖1：來(lái)自 IDEEL 研究項(xiàng)目的高功率二極管激光器，利用卷對(duì)卷工藝，使鋰離子電池的批量生產(chǎn)明顯更具可持續(xù)性和經(jīng)濟(jì)性。（圖片來(lái)源：Fraunhofer ILT）

“激光干燥不僅能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的工藝控制，還有助于顯著改善電池生產(chǎn)的碳排放。”Fraunhofer ILT薄膜加工項(xiàng)目組長(zhǎng)Samuel Moritz Fink博士解釋道。Fink團(tuán)隊(duì)與項(xiàng)目合作伙伴一起開(kāi)發(fā)了一種配備適配光學(xué)器件和工藝監(jiān)測(cè)功能的激光干燥模塊，以確保均勻干燥。這種方法還具備以下靈活性：現(xiàn)有的對(duì)流烤箱可以通過(guò)激光技術(shù)進(jìn)行改造，使得在現(xiàn)有生產(chǎn)線上更容易實(shí)施這種創(chuàng)新工藝。

在另一個(gè)研究項(xiàng)目中，F(xiàn)raunhofer ILT正在使用專門(mén)開(kāi)發(fā)的多光束光學(xué)器件。這種光學(xué)組件能將激光束分成幾束子光束，進(jìn)而可以同時(shí)處理一條250mm寬的鋰離子電池陽(yáng)極帶。這種高精度的結(jié)構(gòu)化處理提高了能量密度，并改善了快速充電能力（見(jiàn)圖2）。

圖2：使用 24 束子光束中的 12 束：Pulsar Photonics公司開(kāi)發(fā)的光學(xué)器件，利用單獨(dú)的子光束，對(duì)電池陽(yáng)極300mm寬的條帶進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，以顯著提高功率密度和充電容量。（圖片來(lái)源：Pulsar Photonics）

電極生產(chǎn)還受益于將人工智能（AI）集成到制造過(guò)程中。Fraunhofer ILT的研究人員目前正在研究如何利用AI支持的系統(tǒng)來(lái)優(yōu)化工藝參數(shù)。這樣的系統(tǒng)不僅可以進(jìn)一步提高質(zhì)量和生產(chǎn)率，還為自主生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

電芯組裝：通過(guò)創(chuàng)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)精度與效率

除了對(duì)電極進(jìn)行干燥處理外，電極材料的精確連接在電池的性能和可靠性方面也起著核心作用。激光微焊接（microwelding）已經(jīng)成為這里的關(guān)鍵技術(shù)，因?yàn)樗�可以在不接觸的情況下高精度地連接銅和鋁等對(duì)電池電極至關(guān)重要的材料。由于熱負(fù)荷低，敏感的電芯化學(xué)性質(zhì)得以保持完整，同時(shí)通過(guò)降低接觸電阻優(yōu)化了導(dǎo)電性。激光微焊接提供了傳統(tǒng)焊接工藝無(wú)法比擬的靈活性和效率。

對(duì)激光微焊接的要求因電芯形式而異，因?yàn)槊糠N電芯類(lèi)型在連接時(shí)都面臨著特定的挑戰(zhàn)。對(duì)于圓柱形電芯連接，一方面需要精確的焊接深度以確保導(dǎo)電性，另一方面要防止因過(guò)熱而造成損壞。連接負(fù)極尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)檫^(guò)熱可能會(huì)損壞敏感的聚合物密封件，從而可能導(dǎo)致電解液泄漏。對(duì)于靈活設(shè)計(jì)和高能量密度的軟包電芯，必須避免焊接時(shí)穿透敏感的薄膜涂層。

在電芯組裝方面，一個(gè)很有前景的發(fā)展成果來(lái)自 XProLas 項(xiàng)目，該項(xiàng)目由通快公司與Fraunhofer ILT及其他合作伙伴共同開(kāi)展。他們的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)緊湊型的、由激光驅(qū)動(dòng)的 X 射線源，從而能夠直接在制造商的生產(chǎn)場(chǎng)所進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢測(cè)，而無(wú)需像以前那樣使用大型粒子加速器。這項(xiàng)新技術(shù)使得實(shí)時(shí)分析電池電芯成為可能，從而能夠精確監(jiān)測(cè)充電和放電過(guò)程以及材料質(zhì)量。這種方法開(kāi)辟了新的可能性，尤其是在需要檢查陰極材料時(shí)；陰極材料決定了電池的性能和耐用性。“通過(guò)使用高性能的 X 射線源，我們可以在早期檢測(cè)到雜質(zhì)和材料缺陷，從而顯著縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。”Fraunhofer ILT激光與光學(xué)系統(tǒng)部門(mén)負(fù)責(zé)人Hans-Dieter Hoffmann解釋道。

在這里，AI的集成也帶來(lái)了額外的潛力：AI支持的系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整工藝參數(shù)。借助它，可以在早期檢測(cè)到偏差并進(jìn)行糾正，為自主生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。因此，“生產(chǎn)一次成功”的愿景（即所有組件在首次運(yùn)行時(shí)就能無(wú)差錯(cuò)地組裝完成）已觸手可及。

模組和電池包生產(chǎn)：通過(guò)激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)效率與精度

然后將各個(gè)電芯連接起來(lái)，形成模組或電池包。在模組層面，精度起著決定性作用，因?yàn)樾枰�在不增加敏感電芯熱�?fù)荷的情況下集成多條焊縫。激光微焊接等工藝，使用戶能夠根據(jù)這些要求量身定制工藝。

圖3：使用藍(lán)光焊接電池電芯。（圖片來(lái)源：Fraunhofer ILT）

Fraunhofer ILT的一項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新，是開(kāi)發(fā)出了一種工藝，它能夠安全、精確地連接鋁和銅這兩種物理性質(zhì)差異很大的材料。工程師利用最先進(jìn)的激光束引導(dǎo)技術(shù)，可以控制焊接深度，以免損壞敏感電芯。

“對(duì)于生產(chǎn)必須在高電流和熱負(fù)荷等極端條件下可靠運(yùn)行的模組和電池包來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)至關(guān)重要。”Olowinsky解釋道。一個(gè)例子是大型圓柱形電芯的激光焊接，F(xiàn)raunhofer ILT與 EAS 電池有限公司等合作伙伴，一起對(duì)其進(jìn)行了持續(xù)研發(fā)，他們注重在電芯之間建立穩(wěn)定且耐用的連接，以確保長(zhǎng)使用壽命和低故障率。

除了激光焊接外，激光釬焊也適用于連接對(duì)熱敏感的部件。這種工藝的工作溫度比傳統(tǒng)焊接方法低，因此可以保護(hù)模組內(nèi)的敏感電子元件，不僅使電池包更可靠，還使生產(chǎn)更節(jié)能。

電池管理與傳感器集成：為面向未來(lái)的電池系統(tǒng)注入智能

電池管理是現(xiàn)代能量存儲(chǔ)系統(tǒng)面臨的核心挑戰(zhàn)之一。電池的安全性、使用壽命和性能在很大程度上取決于此，這對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的普及也至關(guān)重要。傳感器集成方面的進(jìn)展以及AI的應(yīng)用，為滿足這些要求提供了變革性的機(jī)遇。

傳統(tǒng)上，對(duì)電池的監(jiān)測(cè)是在宏觀層面進(jìn)行的，但這只能對(duì)電芯內(nèi)部的復(fù)雜過(guò)程提供有限的了解。而在生產(chǎn)過(guò)程中集成傳感器技術(shù)，則帶來(lái)了新的可能性。Fraunhofer ILT的研究人員將傳感器直接打印到部件上，甚至將智能測(cè)量設(shè)備集成到部件中。這些傳感器使得實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成為可能，例如在電池使用過(guò)程中測(cè)量溫度、力甚至電池內(nèi)部的化學(xué)變化。

“通過(guò)增材制造的傳感器，我們可以持續(xù)監(jiān)測(cè)電池模組的狀態(tài)，并在早期對(duì)潛在缺陷做出反應(yīng)。”Samuel Fink解釋道。這些傳感器只有幾微米厚，精度高且能抵抗機(jī)械和熱應(yīng)力，所有這些特性使它們非常適合用于電池和電池模組中。它們能夠提供連續(xù)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)，即在潛在缺陷發(fā)生之前檢測(cè)到它們。

然而，僅集成傳感器技術(shù)還不足以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)。傳感器可以檢測(cè)電芯化學(xué)性質(zhì)的變化，而AI算法則分析這些數(shù)據(jù)并對(duì)電芯的使用壽命做出預(yù)測(cè)。Fraunhofer ILT數(shù)據(jù)科學(xué)與測(cè)量技術(shù)部門(mén)的研究人員，正在開(kāi)發(fā)這樣的AI支持的算法，用于實(shí)時(shí)分析來(lái)自傳感器的大量數(shù)據(jù)。這些系統(tǒng)還能動(dòng)態(tài)調(diào)整工藝，例如優(yōu)化電芯組裝過(guò)程中的溫度曲線或調(diào)整激光焊接參數(shù)。

回收與再利用：電池技術(shù)邁向循環(huán)經(jīng)濟(jì)之路

隨著電池技術(shù)的蓬勃發(fā)展，對(duì)可持續(xù)策略的需求也在增長(zhǎng)，以回收有價(jià)值的原材料。一個(gè)有效的循環(huán)經(jīng)濟(jì)對(duì)于減少對(duì)原生原材料的依賴，同時(shí)將電池生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的影響降至最低至關(guān)重要。

圖4：在ADIR項(xiàng)目的回收過(guò)程中，使用激光輻射對(duì)電路板組件進(jìn)行非接觸式曝光和拆焊。（圖片來(lái)源：Fraunhofer ILT）

在歐盟的 ADIR 項(xiàng)目中，F(xiàn)raunhofer ILT正與來(lái)自三個(gè)國(guó)家的八個(gè)項(xiàng)目合作伙伴，共同開(kāi)發(fā)一種針對(duì)電子設(shè)備的可持續(xù)回收概念。ACROBAT 項(xiàng)目旨在在磷酸鐵鋰電池大規(guī)模進(jìn)入市場(chǎng)之前，制定出回收這些電池的計(jì)劃。該項(xiàng)目的目標(biāo)是回收超過(guò) 90% 的關(guān)鍵材料。Fraunhofer ILT與 Accurec Recycling 等合作伙伴一起，致力于開(kāi)發(fā)在生態(tài)和經(jīng)濟(jì)上都可持續(xù)的創(chuàng)新分離和加工方法。亞琛的激光專家們正在開(kāi)發(fā)一種在線表征方法，以精確評(píng)估活性材料的質(zhì)量。

憑借其自身的激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）工藝，F(xiàn)raunhofer ILT能夠精確識(shí)別和分離復(fù)雜的材料成分。研究人員希望將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于廢舊電池的回收，以進(jìn)一步提高鈷和鉭等金屬的回收率。在這里，也可以集成AI來(lái)分析激光測(cè)量得到的大量數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)優(yōu)化回收過(guò)程。這種由AI支持的監(jiān)測(cè)，能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整回收參數(shù)，從而減少?gòu)U料并提高回收原材料的質(zhì)量。

結(jié)論與展望

電池生產(chǎn)是電動(dòng)汽車(chē)轉(zhuǎn)型的核心，因此也是融合了效率、可持續(xù)性和卓越技術(shù)的創(chuàng)新焦點(diǎn)。生產(chǎn)鏈中所呈現(xiàn)的技術(shù)和發(fā)展成果表明，最先進(jìn)的激光工藝如何為可持續(xù)且具有競(jìng)爭(zhēng)力的電池行業(yè)鋪平道路：從原材料制備、電極生產(chǎn)到電芯組裝和回收利用。與此同時(shí)，AI支持的分析和控制系統(tǒng)，為工藝控制開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)新的維度，提高了生產(chǎn)質(zhì)量和可持續(xù)性，并進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本。

未來(lái)，AI支持的控制回路可能實(shí)現(xiàn)自主生產(chǎn)，使生產(chǎn)過(guò)程能夠?qū)崟r(shí)適應(yīng)不斷變化的條件。此外，激光驅(qū)動(dòng)的 X 射線源和在線表征技術(shù)，為質(zhì)量保證和材料分析開(kāi)辟了新的可能性。

圖5：利用激光和AI實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、高效且可靠的可持續(xù)電池生產(chǎn)。（圖片來(lái)源：Fraunhofer ILT）