作者：Alexander Olowinsky、Andre Häusler（弗勞恩霍夫激光技術研究所）

　　電池生產(chǎn)是全球工業(yè)和氣候政策的核心。事實上，全球?qū)﹄妱悠嚭凸潭☉脙δ芟到y(tǒng)的需求不斷增長，高效、可持續(xù)和地區(qū)獨立的電池生產(chǎn)也變得越來越重要。尤其是電池生產(chǎn)的商業(yè)和監(jiān)管環(huán)境給企業(yè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)：例如，對鋰、鈷和鎳等原材料的依賴正在引發(fā)地緣政治緊張局勢。

　　同時，隨著全球危機的加劇和運輸成本的上升，供應鏈也變得越來越脆弱。因此，歐洲面臨的任務是建立一個有彈性的價值鏈，包括原材料提取、深加工和回收利用，畢竟廢舊電池是德國最豐富的鋰資源。此外，生產(chǎn)流程必須靈活適應新的電池設計，如固態(tài)電池或鈉離子電池，以確保對它們的投資。

　　面對這些挑戰(zhàn)，顯然只有采用更先進的技術才能確保歐洲電池生產(chǎn)的未來。激光技術尤其能提供滿足關鍵要求（效率、精度和可持續(xù)性）的解決方案。無論是在材料加工、電極生產(chǎn)還是回收利用方面，如果沒有創(chuàng)新的激光工藝，歐洲具有競爭力和可持續(xù)性的電池生產(chǎn)是難以想象的。

　　原材料加工和材料精煉：可持續(xù)電池生產(chǎn)的基礎

　　鋰和鎳等材料仍然是當前電池的組成部分。它們的化學和物理特性使得高能量密度和長壽命成為可能，但它們的提取和加工帶來了復雜的問題。

　　然而，隨著電池技術的快速發(fā)展，該行業(yè)正致力于最大限度地減少稀有和昂貴原材料的使用。2021年，中國電池制造商CATL推出了完全不使用鋰和鈷的鈉離子電池。2024年4月，CATL 推出了不含鈷的磷酸鐵鋰（LFP）電池，一次充電可驅(qū)動汽車行駛1000多公里。只需十分鐘，它就能為600公里的路程充入足夠的能量，相當于每秒一公里的充電速度。

　　豐田計劃從2025年開始在混合動力汽車中使用固態(tài)電池。日產(chǎn)汽車公司在日本的一家層疊固態(tài)電池原型生產(chǎn)廠已投入運營。松下推出了用于無人機的固態(tài)電池。大眾和梅賽德斯、福特和寶馬即將推出固態(tài)電池，或已建立戰(zhàn)略合作伙伴關系。

　　新電池技術的一個關鍵起點是納米級的材料改良；在這里，原材料經(jīng)過特殊處理和功能化，以最大限度地提高其在電池中的性能。這正是弗勞恩霍夫激光技術研究所表面技術和燒蝕部門正在研究的課題。利用現(xiàn)代激光技術，該部門可以對材料結(jié)構(gòu)進行精確干預，同時最大限度地減少資源消耗。

　　弗勞恩霍夫激光技術研究所聯(lián)合德國的多家研究機構(gòu)和企業(yè)，通過使用粒子加速器發(fā)出的X 射線，工程師們能夠更深入地了解激光焊接工藝。他們發(fā)現(xiàn)，使用綠光波長的激光可以提高材料利用率并減少浪費。他們的研究成果不僅具有技術優(yōu)勢，還有助于實現(xiàn)更可持續(xù)的生產(chǎn)。

　　“這些項目表明，創(chuàng)新的激光技術不僅能克服原材料加工方面的挑戰(zhàn)，還能在歐洲實現(xiàn)可持續(xù)的、有競爭力的電池生產(chǎn)。”弗勞恩霍夫激光技術研究所接合與切割部門負責人Alexander Olowinsky博士解釋說。

　　電極生產(chǎn)：可持續(xù)生產(chǎn)的創(chuàng)新技術

　　電流導體箔（銅或鋁）必須涂上正極和負極的電極材料，然后進行干燥，這是影響電池能量密度和循環(huán)壽命的關鍵步驟。然而，基于對流烤箱的傳統(tǒng)干燥工藝需要消耗大量能源并占用大量空間，從而限制了電池生產(chǎn)的可持續(xù)性和效率。

　　由德國聯(lián)邦教育與研究部資助的IDEEL項目（實施激光干燥工藝以生產(chǎn)經(jīng)濟型和生態(tài)型鋰離子電池），展示了激光干燥如何解決這些難題，在該項目中，陽極和陰極首次使用高功率二極管激光器進行卷對卷干燥。這種方法大大降低了能耗，將干燥速度提高了一倍，并將所需空間減少了一半。

　　“激光干燥不僅能實現(xiàn)更高效的過程控制，還有助于顯著改善電池生產(chǎn)的碳足跡。”研究所薄膜加工小組經(jīng)理Samuel Moritz Fink博士解釋說。Fink和他的團隊與項目合作伙伴共同開發(fā)了一種激光干燥模塊，該模塊配備了合適的光學元件和過程監(jiān)控裝置，可確保均勻干燥。這種方法還具有靈活性：現(xiàn)有的對流烤箱可以加裝激光技術，從而更容易在現(xiàn)有生產(chǎn)線上實施創(chuàng)新工藝。

　　在另一個研究項目中，研究所正在使用專門開發(fā)的多光束光學元件。這種光學組件將激光束分成多個部分光束，同時加工250毫米寬的鋰離子電池陽極帶。這種高精度的結(jié)構(gòu)設計提高了能量密度，并改善了快速充電能力。電極生產(chǎn)還得益于將人工智能融入制造過程。研究人員目前正在研究如何利用人工智能支持系統(tǒng)來優(yōu)化工藝參數(shù)。這些系統(tǒng)不僅能進一步提高質(zhì)量和生產(chǎn)率，還能為自主生產(chǎn)奠定基礎。

　　電池組裝：通過創(chuàng)新技術實現(xiàn)精度和效率

　　除了干燥電極外，電極材料的精確連接也對電池的性能和可靠性起著核心作用。激光微焊接技術是一項關鍵技術，因為它可以在不接觸銅和鋁等電池電極材料的情況下，高精度地將其連接起來。由于熱負荷低，敏感的電池化學成分保持不變，同時通過降低接觸電阻優(yōu)化了導電性能。激光微焊接具有傳統(tǒng)焊接工藝無法比擬的靈活性和高效性。

　　對激光微焊接的要求因電池形式而異，因為每種電池類型在接觸時都會面臨特定的挑戰(zhàn)。圓柱形電池需要精確的焊接深度，一方面確保導電性，另一方面防止過熱造成損壞。負極的接觸尤其具有挑戰(zhàn)性，因為過熱會損壞敏感的聚合物密封，從而導致電解液泄漏。袋裝電池的特點是設計靈活、能量密度高，因此必須避免焊穿敏感薄膜涂層。

　　通快公司與研究所和其他合作伙伴合作開展的XProLas項目，是電池組裝領域的一個有前途的發(fā)展項目。他們的目標是開發(fā)緊湊型激光驅(qū)動X射線源，以便能夠直接在生產(chǎn)廠家進行現(xiàn)場質(zhì)量檢測，而不是像以前那樣使用大型粒子加速器。這項新技術可以對電池單元進行實時分析，從而精確監(jiān)控充電和放電過程以及材料質(zhì)量。

　　這種方法開辟了新的可能性，尤其是在需要檢查陰極材料時；這種材料決定了電池的性能和耐用性。“通過使用高亮度X射線源，我們可以在早期階段檢測出雜質(zhì)和材料缺陷，從而大大縮短研發(fā)時間。”研究所光學系統(tǒng)部門負責人Hans-Dieter Hoffmann博士解釋說。

　　在這方面，人工智能的集成也帶來了更多的潛力：人工智能支持的系統(tǒng)可以實時監(jiān)控和調(diào)整工藝參數(shù)。有了它，偏差可以在早期階段被檢測和糾正，為自主生產(chǎn)奠定基礎。因此，“一次成功”的生產(chǎn)愿景指日可待，即所有部件在首次組裝時不會出現(xiàn)錯誤。

　　模塊和電池組生產(chǎn)：通過激光技術提高效率和精度

　　然后將單個電池連接成模塊或電池組。由于需要在不增加敏感電池熱負荷的情況下集成多個焊縫，因此精度在模塊級生產(chǎn)中起著決定性作用。激光工藝（如微焊接）使用戶能夠以量身定制的方式，使其工藝適應這些要求。

　　研究所的主要創(chuàng)新之一是開發(fā)出了可用于安全、精確地連接鋁和銅這兩種物理性質(zhì)截然不同的材料的工藝。利用最先進的激光束引導技術，研究所的工程師可以控制焊接深度，從而避免損壞敏感細胞。

　　Olowinsky解釋說：這項技術對于生產(chǎn)必須在高電流和熱負荷等極端條件下可靠運行的模塊和電池組至關重要。其中一個例子是大型圓柱形電池的激光焊接，亞琛研究所與EAS Batteries GmbH等合作伙伴一起繼續(xù)開發(fā)這項技術。在這方面，他們關注的是如何在電池之間建立穩(wěn)定耐用的互連，以確保電池的使用壽命長和故障率低。

　　除了激光焊接，激光釬焊技術也逐步得到應用，尤其在連接熱敏感元件方面表現(xiàn)出色。與傳統(tǒng)焊接工藝相比，該技術工作溫度更低，能有效保護模塊內(nèi)部的精密電子元件，不僅可提升電池包的可靠性，還能實現(xiàn)更節(jié)能的生產(chǎn)制造。

　　電池管理與傳感器集成：面向未來的智能電池系統(tǒng)

　　電池管理是現(xiàn)代儲能系統(tǒng)的核心挑戰(zhàn)之一。電池的安全性、壽命和性能在很大程度上取決于它，尤其是電動汽車的接受程度。傳感器集成和人工智能技術的進步，為滿足這些要求提供了變革性機遇。

　　傳統(tǒng)的電池監(jiān)測是在宏觀層面上進行的，但這只能有限地了解電池內(nèi)部的復雜過程。因此，在生產(chǎn)過程中集成傳感器技術提供了新的可能性。研究人員將傳感器直接打印到組件上，甚至將智能測量設備集成到組件中。這些傳感器可以實現(xiàn)實時監(jiān)控，例如測量電池使用時的溫度、力甚至化學變化。

　　Samuel Fink 解釋說：利用增材制造傳感器，我們可以持續(xù)監(jiān)控電池模塊的狀況，并在早期階段對潛在缺陷做出反應。這些傳感器只有幾微米厚，精度高，耐機械應力和熱應力，因此非常適合在電池和電池模塊中使用。它們能夠提供連續(xù)數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)預測性維護，在潛在缺陷出現(xiàn)之前就能檢測出來。

　　然而，僅集成傳感器技術還不足以實現(xiàn)預測性維護。傳感器可以檢測電池化學成分的變化，而人工智能算法則可以分析這些數(shù)據(jù)并預測電池的使用壽命。研究所的數(shù)據(jù)科學與測量技術部的研究人員正在開發(fā)這種人工智能支持的算法，實時分析來自傳感器的大量數(shù)據(jù)。這些系統(tǒng)還可以動態(tài)調(diào)整工藝，例如在電池組裝過程中優(yōu)化溫度曲線或調(diào)整激光焊接參數(shù)。

　　回收和再利用：電池技術的循環(huán)經(jīng)濟之路

　　隨著電池技術的蓬勃發(fā)展，對回收寶貴原材料的可持續(xù)戰(zhàn)略的需求也在不斷增長。有效的循環(huán)經(jīng)濟對于減少對初級原材料的依賴，同時最大限度地降低電池生產(chǎn)對環(huán)境的影響至關重要。

　　在歐盟項目ADIR中，研究所與來自其他國家的合作伙伴合作，共同開發(fā)電子設備的可持續(xù)回收概念。ACROBAT項目的目標是在磷酸鐵鋰電池大規(guī)模進入市場之前，為其制定回收計劃。該項目的目標是回收90%以上的關鍵材料。對此，研究所與Accurec Recycling等合作伙伴一起，正在研究生態(tài)和經(jīng)濟上可持續(xù)的創(chuàng)新分離和處理方法。亞琛的激光專家們正在開發(fā)一種在線表征方法，以精確評估活性材料的質(zhì)量。

　　該研究所利用自己的激光誘導擊穿光譜（LIBS）工藝，可以精確識別和分離復雜的材料成分。研究人員希望將這項技術應用于廢舊電池的回收，以進一步提高鈷和鉭等金屬的回收率。在這種情況下，也可以集成人工智能來分析激光測量的大量數(shù)據(jù)，并實時優(yōu)化流程。這種由人工智能支持的監(jiān)控可對回收參數(shù)進行動態(tài)調(diào)整，從而減少浪費并提高回收原材料的質(zhì)量。

　　結(jié)論與展望

　　電池生產(chǎn)是電動汽車轉(zhuǎn)型的核心，因此也是結(jié)合效率、可持續(xù)性和卓越技術的創(chuàng)新重點。從原材料制備、電極生產(chǎn)到電池組裝和回收，整個生產(chǎn)鏈上的技術和發(fā)展展示了最先進的激光工藝如何為可持續(xù)發(fā)展和具有競爭力的電池行業(yè)鋪平道路。同時，人工智能支持的分析和控制系統(tǒng)開創(chuàng)了工藝控制的新局面，提高了生產(chǎn)質(zhì)量和可持續(xù)性，并進一步降低了生產(chǎn)成本。

　　未來，人工智能支持的控制回路可實現(xiàn)自主生產(chǎn)，使生產(chǎn)過程實時適應不斷變化的條件。此外，激光驅(qū)動的X射線源和在線表征技術為質(zhì)量保證和材料分析提供了新的可能性。

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