Penghematan Energi yang Signifikan! Jerman Mengembangkan Solusi Baru Berbasis Laser Untuk Produksi Baterai

Baru-baru ini, sekelompok peneliti dari Fraunhofer Institute for Laser Technology (Fraunhofer ILT) di Aachen, Jerman, mengembangkan dua teknologi manufaktur berbasis laser yang tidak hanya memungkinkan penghematan energi yang signifikan dalam produksi, tetapi juga memungkinkan pembuatan kepadatan daya yang lebih tinggi, baterai hidup lebih lama.
Saat ini, baterai berperforma tinggi telah menjadi prasyarat utama untuk elektrifikasi sektor transportasi. Para peneliti dalam tim yang disebutkan di atas mengembangkan teknologi laser inovatif untuk menghasilkan baterai lithium-ion - yang dapat diisi lebih cepat dan memiliki masa pakai lebih lama daripada baterai lithium-ion yang diproduksi secara konvensional. Selain itu, mereka menggunakan laser untuk mengeringkan baterai, menjadikannya cara yang lebih efisien untuk melapisi elektroda berbasis air.
Salah satu langkah kunci dalam produksi baterai lithium-ion adalah pembuatan elektroda berbasis grafit. Untuk elektroda ini, proses roll-to-roll digunakan untuk melapisi foil tembaga dengan pasta grafit, yang kemudian dikeringkan dalam tanur kontinyu pada 160-180 derajat Celcius. Tungku kontinyu yang digerakkan oleh gas (yang mengangkut foil tembaga pada sabuk konveyor) memakan banyak ruang selain menghabiskan banyak energi: panjangnya biasanya 60-100 meter dan biasanya dapat mengeringkan 100 meter foil tembaga per menit ketika beroperasi pada skala industri.
Pengeringan sel yang efisien dengan laser
Peneliti Fraunhofer ILT telah mengembangkan sistem yang menggunakan laser dioda untuk mempercepat proses pengeringan. Sinar laser memiliki panjang gelombang 1 mikron dan diperkuat oleh optik khusus yang memungkinkan area yang lebih luas untuk disinari oleh elektroda.
Optiknya dirancang khusus untuk sistem pengeringan oleh mitra industri Fraunhofer, Laserline. Samuel Fink, kepala kelompok pemrosesan film tipis di Fraunhofer Institute for Industrial Technology, menjelaskan prinsip di balik proses tersebut: "Berbeda dengan proses pengeringan udara panas, laser dioda kami memproyeksikan sinar intensitas tinggi ke foil tembaga dilapisi dengan pasta grafit. Grafit hitam menyerap energi. Interaksi yang dihasilkan menyebabkan partikel grafit memanas, dan kemudian cairannya menguap."
Teknologi Fraunhofer ILT menawarkan sejumlah keuntungan: laser dioda sangat hemat energi dibandingkan dengan tungku kontinyu yang memakan daya, dan sistem melepaskan sangat sedikit panas ke lingkungan. Selain itu, sistem pengeringan laser memakan lebih sedikit ruang daripada tungku konvensional. Menurut Samuel Fink, "Pengeringan dengan laser dioda akan mengurangi kebutuhan energi hingga 50 persen dan mengurangi ruang yang dibutuhkan untuk sistem pengeringan skala industri setidaknya 60 persen ."
Struktur elektroda 3D yang ditingkatkan meningkatkan kinerja
Selain manfaat ini, tim ILT Fraunhofer dapat menggunakan laser untuk meningkatkan densitas daya dan masa pakai baterai lithium-ion. Laser pulsa ultrashort (USP) bertenaga tinggi dengan energi pulsa 1 milijoule memperkenalkan struktur lubang yang disebut saluran di elektroda baterai. Saluran ini bertindak sebagai "jalan raya" untuk ion - mereka secara signifikan mempersingkat jarak yang harus dilalui ion, memperpendek proses pengisian. Pada saat yang sama, ini mencegah munculnya cacat, sehingga meningkatkan jumlah siklus pengisian daya dan pada akhirnya memperpanjang masa pakai baterai.
Proses berbasis laser untuk membuat struktur lubang dan dampak positifnya pada baterai secara teoritis sudah jelas, dan para peneliti Fraunhofer ILT telah berhasil menerjemahkan konsep tersebut ke dalam praktik: dari laboratorium ke proses yang dapat diskalakan dan siap industri yang menggunakan gelombang radiasi laser ultrashort dalam rentang femtosecond untuk memodifikasi, dan menyetel, struktur elektroda.
Matthias Trenn, kepala tim struktur permukaan ILT Fraunhofer, menjelaskan, "Waktu interaksi singkat dari pulsa laser cukup untuk mengikis material, tetapi juga untuk mencegah lubang meleleh, yang berarti sel tidak kehilangan daya."
Salah satu tantangan yang pernah dihadapi tim adalah bagaimana menangani area yang lebih luas untuk mencapai volume produksi yang dibutuhkan untuk produksi industri. Tim Fraunhofer memecahkan masalah ini dengan menggunakan pengaturan multi-berkas dan kontrol proses paralel: solusi mereka menggunakan empat pemindai, masing-masing dengan enam berkas, untuk memproses foil secara paralel. Mereka menutupi lebar 250 mm dan memproses lapisan grafit secara terus menerus. Dilaporkan bahwa sistem optik multi-beam ini dikembangkan dan diimplementasikan oleh Fraunhofer ILT bekerja sama dengan perusahaan spin-off Pulsar Photonics GmbH.
Penelitian yang dilakukan oleh tim tersebut menunjukkan bahwa teknologi laser dapat digunakan sebagai proses produksi digital untuk meningkatkan kualitas sel dan secara signifikan meningkatkan kesinambungan proses manufaktur. Sebagai langkah selanjutnya, mereka berharap dapat mengimplementasikan teknologi dari ekstensi prototipe ke jalur produksi industri.