从原材料加工到回收利用：电池生产的新方法

电池生产是全球工业和气候政策的核心。事实上，全球对电动汽车和固定应用储能系统的需求不断增长，高效、可持续和地区独立的电池生产也变得越来越重要。尤其是电池生产的商业和监管环境给企业带来了巨大的挑战：例如，对锂、钴和镍等原材料的依赖正在引发地缘政治紧张局势。

 

同时，随着全球危机的加剧和运输成本的上升，供应链也变得越来越脆弱。因此，欧洲面临的任务是建立一个有弹性的价值链，包括原材料提取、深加工和回收利用，毕竟废旧电池是德国最丰富的锂资源。此外，生产流程必须灵活适应新的电池设计，如固态电池或钠离子电池，以确保对它们的投资。

面对这些挑战，显然只有采用更先进的技术才能确保欧洲电池生产的未来。激光技术尤其能提供满足关键要求（效率、精度和可持续性）的解决方案。无论是在材料加工、电极生产还是回收利用方面，如果没有创新的激光工艺，欧洲具有竞争力和可持续性的电池生产是难以想象的。

 

原材料加工和材料精炼：可持续电池生产的基础

锂和镍等材料仍然是当前电池的组成部分。它们的化学和物理特性使得高能量密度和长寿命成为可能，但它们的提取和加工带来了复杂的问题。

然而，随着电池技术的快速发展，该行业正致力于最大限度地减少稀有和昂贵原材料的使用。2021年，中国电池制造商CATL推出了完全不使用锂和钴的钠离子电池。2024年4月，CATL 推出了不含钴的磷酸铁锂（LFP）电池，一次充电可驱动汽车行驶1000多公里。只需十分钟，它就能为600公里的路程充入足够的能量，相当于每秒一公里的充电速度。

丰田计划从2025年开始在混合动力汽车中使用固态电池。日产汽车公司在日本的一家层叠固态电池原型生产厂已投入运营。松下推出了用于无人机的固态电池。大众和梅赛德斯、福特和宝马即将推出固态电池，或已建立战略合作伙伴关系。

新电池技术的一个关键起点是纳米级的材料改良；在这里，原材料经过特殊处理和功能化，以最大限度地提高其在电池中的性能。这正是弗劳恩霍夫激光技术研究所表面技术和烧蚀部门正在研究的课题。利用现代激光技术，该部门可以对材料结构进行精确干预，同时最大限度地减少资源消耗。

弗劳恩霍夫激光技术研究所联合德国的多家研究机构和企业，通过使用粒子加速器发出的X 射线，工程师们能够更深入地了解激光焊接工艺。他们发现，使用绿光波长的激光可以提高材料利用率并减少浪费。他们的研究成果不仅具有技术优势，还有助于实现更可持续的生产。

“这些项目表明，创新的激光技术不仅能克服原材料加工方面的挑战，还能在欧洲实现可持续的、有竞争力的电池生产。”弗劳恩霍夫激光技术研究所接合与切割部门负责人Alexander Olowinsky博士解释说。

 

电极生产：可持续生产的创新技术

电流导体箔（铜或铝）必须涂上正极和负极的电极材料，然后进行干燥，这是影响电池能量密度和循环寿命的关键步骤。然而，基于对流烤箱的传统干燥工艺需要消耗大量能源并占用大量空间，从而限制了电池生产的可持续性和效率。

由德国联邦教育与研究部资助的IDEEL项目（实施激光干燥工艺以生产经济型和生态型锂离子电池），展示了激光干燥如何解决这些难题，在该项目中，阳极和阴极首次使用高功率二极管激光器进行卷对卷干燥。这种方法大大降低了能耗，将干燥速度提高了一倍，并将所需空间减少了一半。

“激光干燥不仅能实现更高效的过程控制，还有助于显著改善电池生产的碳足迹。”研究所薄膜加工小组经理Samuel Moritz Fink博士解释说。Fink和他的团队与项目合作伙伴共同开发了一种激光干燥模块，该模块配备了合适的光学元件和过程监控装置，可确保均匀干燥。这种方法还具有灵活性：现有的对流烤箱可以加装激光技术，从而更容易在现有生产线上实施创新工艺。

在另一个研究项目中，研究所正在使用专门开发的多光束光学元件。这种光学组件将激光束分成多个部分光束，同时加工250毫米宽的锂离子电池阳极带。这种高精度的结构设计提高了能量密度，并改善了快速充电能力。电极生产还得益于将人工智能融入制造过程。研究人员目前正在研究如何利用人工智能支持系统来优化工艺参数。这些系统不仅能进一步提高质量和生产率，还能为自主生产奠定基础。

 

电池组装：通过创新技术实现精度和效率

除了干燥电极外，电极材料的精确连接也对电池的性能和可靠性起着核心作用。激光微焊接技术是一项关键技术，因为它可以在不接触铜和铝等电池电极材料的情况下，高精度地将其连接起来。由于热负荷低，敏感的电池化学成分保持不变，同时通过降低接触电阻优化了导电性能。激光微焊接具有传统焊接工艺无法比拟的灵活性和高效性。

对激光微焊接的要求因电池形式而异，因为每种电池类型在接触时都会面临特定的挑战。圆柱形电池需要精确的焊接深度，一方面确保导电性，另一方面防止过热造成损坏。负极的接触尤其具有挑战性，因为过热会损坏敏感的聚合物密封，从而导致电解液泄漏。袋装电池的特点是设计灵活、能量密度高，因此必须避免焊穿敏感薄膜涂层。

通快公司与研究所和其他合作伙伴合作开展的XProLas项目，是电池组装领域的一个有前途的发展项目。他们的目标是开发紧凑型激光驱动X射线源，以便能够直接在生产厂家进行现场质量检测，而不是像以前那样使用大型粒子加速器。这项新技术可以对电池单元进行实时分析，从而精确监控充电和放电过程以及材料质量。

这种方法开辟了新的可能性，尤其是在需要检查阴极材料时；这种材料决定了电池的性能和耐用性。“通过使用高亮度X射线源，我们可以在早期阶段检测出杂质和材料缺陷，从而大大缩短研发时间。”研究所光学系统部门负责人Hans-Dieter Hoffmann博士解释说。

在这方面，人工智能的集成也带来了更多的潜力：人工智能支持的系统可以实时监控和调整工艺参数。有了它，偏差可以在早期阶段被检测和纠正，为自主生产奠定基础。因此，“一次成功”的生产愿景指日可待，即所有部件在首次组装时不会出现错误。

 

模块和电池组生产：通过激光技术提高效率和精度

然后将单个电池连接成模块或电池组。由于需要在不增加敏感电池热负荷的情况下集成多个焊缝，因此精度在模块级生产中起着决定性作用。激光工艺（如微焊接）使用户能够以量身定制的方式，使其工艺适应这些要求。

 

Aurora Powertrains委托研究所为其模块化、可扩展的雪地车电池开发定制激光焊接系统。该电池具有IP67防水防尘等级，能量密度超过190Wh/kg。

研究所的主要创新之一是开发出了可用于安全、精确地连接铝和铜这两种物理性质截然不同的材料的工艺。利用最先进的激光束引导技术，研究所的工程师可以控制焊接深度，从而避免损坏敏感细胞。

Olowinsky解释说：这项技术对于生产必须在高电流和热负荷等极端条件下可靠运行的模块和电池组至关重要。其中一个例子是大型圆柱形电池的激光焊接，亚琛研究所与EAS Batteries GmbH等合作伙伴一起继续开发这项技术。在这方面，他们关注的是如何在电池之间建立稳定耐用的互连，以确保电池的使用寿命长和故障率低。

除了激光焊接，激光钎焊技术也逐步得到应用，尤其在连接热敏感元件方面表现出色。与传统焊接工艺相比，该技术工作温度更低，能有效保护模块内部的精密电子元件，不仅可提升电池包的可靠性，还能实现更节能的生产制造。

 

电池管理与传感器集成：面向未来的智能电池系统

电池管理是现代储能系统的核心挑战之一。电池的安全性、寿命和性能在很大程度上取决于它，尤其是电动汽车的接受程度。传感器集成和人工智能技术的进步，为满足这些要求提供了变革性机遇。

传统的电池监测是在宏观层面上进行的，但这只能有限地了解电池内部的复杂过程。因此，在生产过程中集成传感器技术提供了新的可能性。研究人员将传感器直接打印到组件上，甚至将智能测量设备集成到组件中。这些传感器可以实现实时监控，例如测量电池使用时的温度、力甚至化学变化。

Samuel Fink 解释说：利用增材制造传感器，我们可以持续监控电池模块的状况，并在早期阶段对潜在缺陷做出反应。这些传感器只有几微米厚，精度高，耐机械应力和热应力，因此非常适合在电池和电池模块中使用。它们能够提供连续数据，从而实现预测性维护，在潜在缺陷出现之前就能检测出来。

然而，仅集成传感器技术还不足以实现预测性维护。传感器可以检测电池化学成分的变化，而人工智能算法则可以分析这些数据并预测电池的使用寿命。研究所的数据科学与测量技术部的研究人员正在开发这种人工智能支持的算法，实时分析来自传感器的大量数据。这些系统还可以动态调整工艺，例如在电池组装过程中优化温度曲线或调整激光焊接参数。

 

回收和再利用：电池技术的循环经济之路

随着电池技术的蓬勃发展，对回收宝贵原材料的可持续战略的需求也在不断增长。有效的循环经济对于减少对初级原材料的依赖，同时最大限度地降低电池生产对环境的影响至关重要。

 

在“ADIR”项目的回收过程中使用激光辐射对电路板元件进行非接触式曝光和拆焊

在欧盟项目ADIR中，研究所与来自其他国家的合作伙伴合作，共同开发电子设备的可持续回收概念。ACROBAT项目的目标是在磷酸铁锂电池大规模进入市场之前，为其制定回收计划。该项目的目标是回收90%以上的关键材料。对此，研究所与Accurec Recycling等合作伙伴一起，正在研究生态和经济上可持续的创新分离和处理方法。亚琛的激光专家们正在开发一种在线表征方法，以精确评估活性材料的质量。

该研究所利用自己的激光诱导击穿光谱（LIBS）工艺，可以精确识别和分离复杂的材料成分。研究人员希望将这项技术应用于废旧电池的回收，以进一步提高钴和钽等金属的回收率。在这种情况下，也可以集成人工智能来分析激光测量的大量数据，并实时优化流程。这种由人工智能支持的监控可对回收参数进行动态调整，从而减少浪费并提高回收原材料的质量。

 

结论与展望

电池生产是电动汽车转型的核心，因此也是结合效率、可持续性和卓越技术的创新重点。从原材料制备、电极生产到电池组装和回收，整个生产链上的技术和发展展示了最先进的激光工艺如何为可持续发展和具有竞争力的电池行业铺平道路。同时，人工智能支持的分析和控制系统开创了工艺控制的新局面，提高了生产质量和可持续性，并进一步降低了生产成本。

未来，人工智能支持的控制回路可实现自主生产，使生产过程实时适应不断变化的条件。此外，激光驱动的X射线源和在线表征技术为质量保证和材料分析提供了新的可能性。

 

作者：Alexander Olowinsky、Andre Häusler（弗劳恩霍夫激光技术研究所）

 

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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