Tecnología láser para producir pilas de bajo consumo y mayor rendimiento
Ahorrar energía en la producción y, al mismo tiempo, crear pilas con mayor densidad de potencia y vida útil.
Las pilas de alto rendimiento son un requisito esencial para electrificar el sector de la movilidad. En este sentido, los investigadores del Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser ILT de Aquisgrán han desarrollado tecnologías innovadoras basadas en láser para fabricar baterías de iones de litio que, en comparación con las fabricadas de forma convencional, pueden cargarse más rápidamente y tienen una vida útil más larga. Además, el secado por láser en el proceso de recubrimiento del electrodo con agua es mucho más eficaz. Fraunhofer ILT presentará en la Hannover Messe 2023 un demostrador para mostrar sus tecnologías láser de futuro para la producción de células de baterías.
Secado con láser de diodo: Gracias a la óptica especial, el láser irradia una mayor superficie sobre la lámina de cobre recubierta de pasta de grafito. La interacción entre las partículas de grafito y la energía luminosa genera calor y el líquido se evapora.
© Fraunhofer ILT
Tanto si se utilizan en sistemas estacionarios de almacenamiento de energía como en coches, autobuses, bicicletas y patinetes eléctricos, las baterías desempeñarán un papel fundamental en la movilidad del futuro. Por eso, investigadores de todo el mundo trabajan en la mejora de la tecnología de las baterías. Científicos del Instituto Fraunhofer ILT de Aquisgrán han desarrollado recientemente dos tecnologías de fabricación por láser que ahorran energía en la producción y permiten crear celdas de batería con mayor densidad de potencia y vida útil.
Uno de los pasos clave en la producción de baterías de iones de litio es la fabricación de electrodos con grafito. Para estos electrodos, se recubre una lámina de cobre con una pasta de grafito mediante el proceso de rollo a rollo y luego se seca en un horno continuo a 160 o 180 grados Celsius. Además de consumir una gran cantidad de energía, los hornos continuos de gas, por los que pasa la lámina de cobre en una cinta transportadora, ocupan mucho espacio: Miden entre 60 y 100 metros de largo y secan hasta 100 metros de lámina por minuto cuando funcionan a escala industrial.
Secado eficaz con láser de diodo
Los investigadores del Fraunhofer ILT han desarrollado ahora un sistema en el que un láser de diodo lleva a cabo el proceso de secado. El láser, con una longitud de onda de 1 micrómetro, se combina con un sistema óptico especial que ilumina el electrodo en una gran superficie. La óptica fue diseñada especialmente para el sistema de secado por Laserline, socio industrial de Fraunhofer. Samuel Fink, director del grupo de Procesamiento de Películas Delgadas de Fraunhofer ILT, explica el principio en el que se basa el proceso: "A diferencia del proceso de secado con aire caliente, nuestro láser de diodo proyecta un haz de alta intensidad sobre la lámina de cobre, que está recubierta con pasta de grafito. El grafito, de color negro intenso, absorbe la energía. La interacción resultante hace que las partículas de grafito se calienten y el líquido se evapore". La tecnología de Fraunhofer ofrece una serie de ventajas: En comparación con los hornos continuos que consumen mucha energía, el láser de diodo es muy eficiente desde el punto de vista energético, y el sistema emite muy poco calor al medio ambiente. Además, el sistema de secado por láser ocupa mucho menos espacio que los hornos convencionales. "El secado con el láser de diodo reducirá la energía necesaria hasta en un 50 por ciento y el espacio necesario para un sistema de secado a escala industrial en al menos un 60 por ciento", predice Fink.
Estructura de electrodo 3D modificada para mejorar el rendimiento
Además de estas ventajas, el equipo de Fraunhofer ILT ha conseguido mejorar la densidad de potencia y la vida útil de las baterías de iones de litio. Una vez más, la tecnología láser es la protagonista: en este caso, un láser de pulso ultracorto (USP) de alta potencia con 1 milijulio de energía de pulso introduce una estructura de agujeros, denominados canales, en el electrodo de la batería. Estos canales sirven de autopistas de iones de litio: reducen significativamente la distancia que tienen que recorrer los iones y acortan el proceso de carga. Al mismo tiempo, evitan que se produzcan defectos, lo que a su vez aumenta el número de ciclos de carga potenciales y, en última instancia, prolonga la vida útil de la batería.
Tanto el proceso basado en láser para producir las estructuras de agujeros como el efecto positivo que tienen en la célula de la batería son, en teoría, bien conocidos. Lo que han hecho los investigadores de Fraunhofer es trasladar los principios del laboratorio a un proceso escalable y listo para la industria que utiliza radiación láser de pulsos ultracortos en el rango de los femtosegundos para modificar los electrodos. "El breve tiempo de interacción de los pulsos láser es suficiente para ablacionar el material, pero también evita que los agujeros se fundan, lo que significa que la batería no pierde energía", explica Matthias Trenn, jefe del equipo de Estructuración de Superficies del Fraunhofer ILT.
Uno de los retos era averiguar cómo utilizar este proceso en superficies más grandes para conseguir el alto rendimiento necesario para la producción industrial. El equipo de Fraunhofer resolvió este problema utilizando una disposición multihaz para el control paralelo del proceso. Cuatro escáneres, cada uno con seis haces, procesan la cinta en paralelo. Cubren una anchura de 250 milímetros y procesan la capa de grafito de forma continua. La óptica multihaz se desarrolló e implementó en estrecha colaboración con Pulsar Photonics GmbH, una spin-off de Fraunhofer ILT fundada en 2013.
La investigación realizada en Fraunhofer ILT demuestra que la tecnología láser se puede utilizar como un proceso de producción digital para mejorar la calidad de las celdas de la batería y aumentar significativamente la sostenibilidad durante la fabricación. "El siguiente paso es escalar la tecnología desde el prototipo hasta una línea de producción industrial", afirma Matthias Trenn.
Las personas que visiten el stand de Fraunhofer (pabellón 16, stand A12) en la Hannover Messe 2023 (del 17 al 21 de abril) podrán ver una demostración que ilustra cómo está diseñado el sistema.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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