文/Fraunhofer ILT

电池生产是全球工业和气候政策的核心。事实上，全球范围内对用于电动汽车和固定式应用的能量存储系统的需求正在增长，高效、可持续且在区域层面实现自主电池生产的重要性也与日俱增。

电池生产所处的商业和监管环境，给企业带来了巨大挑战：例如，对锂、钴和镍等原材料的依赖正引发地缘政治紧张局势。与此同时，随着全球危机的加剧和运输成本的上升，供应链变得愈发脆弱。因此，构建一条涵盖原材料开采、深加工以及回收利用的电池生产价值链，将尤为重要。此外，生产工艺必须灵活适应固态电池或钠离子电池等新的电池设计，以保障对这些电池的投资。

鉴于这些挑战，显然只有运用先进技术，特别是激光技术，来满足效率、精度和可持续性等关键要求。无论是在材料加工、电极生产还是回收利用方面，创新的激光工艺都对有竞争力且可持续的电池生产功不可没。

原材料加工与材料提纯：可持续电池生产的基础

锂和镍等材料仍是当前电池电芯的组成部分。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，但它们的开采和加工非常复杂。

电池技术迅速发展，该行业的目标是尽量减少对稀有且昂贵原材料的使用。宁德时代（CATL）在 2021 年推出了一款完全不含锂和钴的钠离子电池；2024 年 4 月，又推出了一款无钴磷酸铁锂（LFP）电池，单次充电可使汽车行驶超过 1000 公里，仅需10分钟，就能充够行驶 600 公里的电量，相当于每秒充电可行驶1公里。

丰田计划从 2025 年起在混合动力汽车中使用固态电池。日产也已经在日本运营了一家层压固态电池的原型生产工厂。松下已经推出了一款用于无人机的固态电池。大众、奔驰、福特和宝马也都将推出固态电池，或者已经建立了战略合作伙伴关系。

新电池技术的一个关键起点是纳米级的材料提纯；在这方面，对原材料需要进行专门加工和功能化处理，以最大限度地发挥它们在电池中的性能。这正是德国弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）表面技术与烧蚀部门正在研究的课题。利用现代激光技术，该部门可以精确地干预材料结构，同时将资源消耗降至最低。

激光技术成功应用的另一个例子是Fraunhofer ILT、德国亚琛工业大学、通快公司和德国电子同步加速器（DESY）之间的合作。通过使用来自粒子加速器的 X 射线，工程师们得以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废料。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可以克服原材料加工方面的挑战，还能助力实现可持续且具有竞争力的电池生产。”Fraunhofer ILT焊接与切割部门负责人Alexander Olowinsky博士解释道。

电极生产：实现可持续生产的创新

当前的导体箔（铜或铝）必须涂覆用于阳极和阴极的电极材料，然后进行干燥处理 —— 这些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会消耗大量能源，并且需要占用大量空间，这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（用于经济且生态的锂离子电池生产的激光干燥工艺的实施）展示了激光干燥如何解决这些挑战：在该项目中，首次使用高功率二极管激光器，通过卷对卷工艺对阳极和阴极进行干燥处理。这种方法显著降低了能源消耗，使干燥速度提高了一倍，所需空间减少了一半（见图1）。

图1：来自 IDEEL 研究项目的高功率二极管激光器，利用卷对卷工艺，使锂离子电池的批量生产明显更具可持续性和经济性。（图片来源：Fraunhofer ILT）

“激光干燥不仅能够实现更高效的工艺控制，还有助于显著改善电池生产的碳排放。”Fraunhofer ILT薄膜加工项目组长Samuel Moritz Fink博士解释道。Fink团队与项目合作伙伴一起开发了一种配备适配光学器件和工艺监测功能的激光干燥模块，以确保均匀干燥。这种方法还具备以下灵活性：现有的对流烤箱可以通过激光技术进行改造，使得在现有生产线上更容易实施这种创新工艺。

在另一个研究项目中，Fraunhofer ILT正在使用专门开发的多光束光学器件。这种光学组件能将激光束分成几束子光束，进而可以同时处理一条250mm宽的锂离子电池阳极带。这种高精度的结构化处理提高了能量密度，并改善了快速充电能力（见图2）。

图2：使用 24 束子光束中的 12 束：Pulsar Photonics公司开发的光学器件，利用单独的子光束，对电池阳极300mm宽的条带进行结构化处理，以显著提高功率密度和充电容量。（图片来源：Pulsar Photonics）

电极生产还受益于将人工智能（AI）集成到制造过程中。Fraunhofer ILT的研究人员目前正在研究如何利用AI支持的系统来优化工艺参数。这样的系统不仅可以进一步提高质量和生产率，还为自主生产奠定了基础。

电芯组装：通过创新技术实现精度与效率

除了对电极进行干燥处理外，电极材料的精确连接在电池的性能和可靠性方面也起着核心作用。激光微焊接（microwelding）已经成为这里的关键技术，因为它可以在不接触的情况下高精度地连接铜和铝等对电池电极至关重要的材料。由于热负荷低，敏感的电芯化学性质得以保持完整，同时通过降低接触电阻优化了导电性。激光微焊接提供了传统焊接工艺无法比拟的灵活性和效率。

对激光微焊接的要求因电芯形式而异，因为每种电芯类型在连接时都面临着特定的挑战。对于圆柱形电芯连接，一方面需要精确的焊接深度以确保导电性，另一方面要防止因过热而造成损坏。连接负极尤其具有挑战性，因为过热可能会损坏敏感的聚合物密封件，从而可能导致电解液泄漏。对于灵活设计和高能量密度的软包电芯，必须避免焊接时穿透敏感的薄膜涂层。

在电芯组装方面，一个很有前景的发展成果来自 XProLas 项目，该项目由通快公司与Fraunhofer ILT及其他合作伙伴共同开展。他们的目标是开发紧凑型的、由激光驱动的 X 射线源，从而能够直接在制造商的生产场所进行现场质量检测，而无需像以前那样使用大型粒子加速器。这项新技术使得实时分析电池电芯成为可能，从而能够精确监测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；阴极材料决定了电池的性能和耐用性。“通过使用高性能的 X 射线源，我们可以在早期检测到杂质和材料缺陷，从而显著缩短开发时间。”Fraunhofer ILT激光与光学系统部门负责人Hans-Dieter Hoffmann解释道。

在这里，AI的集成也带来了额外的潜力：AI支持的系统可以实时监测和调整工艺参数。借助它，可以在早期检测到偏差并进行纠正，为自主生产奠定基础。因此，“生产一次成功”的愿景（即所有组件在首次运行时就能无差错地组装完成）已触手可及。

模组和电池包生产：通过激光技术实现效率与精度

然后将各个电芯连接起来，形成模组或电池包。在模组层面，精度起着决定性作用，因为需要在不增加敏感电芯热负荷的情况下集成多条焊缝。激光微焊接等工艺，使用户能够根据这些要求量身定制工艺。

图3：使用蓝光焊接电池电芯。（图片来源：Fraunhofer ILT）

Fraunhofer ILT的一项关键创新，是开发出了一种工艺，它能够安全、精确地连接铝和铜这两种物理性质差异很大的材料。工程师利用最先进的激光束引导技术，可以控制焊接深度，以免损坏敏感电芯。

“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组和电池包来说，这项技术至关重要。”Olowinsky解释道。一个例子是大型圆柱形电芯的激光焊接，Fraunhofer ILT与 EAS 电池有限公司等合作伙伴，一起对其进行了持续研发，他们注重在电芯之间建立稳定且耐用的连接，以确保长使用寿命和低故障率。

除了激光焊接外，激光钎焊也适用于连接对热敏感的部件。这种工艺的工作温度比传统焊接方法低，因此可以保护模组内的敏感电子元件，不仅使电池包更可靠，还使生产更节能。

电池管理与传感器集成：为面向未来的电池系统注入智能

电池管理是现代能量存储系统面临的核心挑战之一。电池的安全性、使用寿命和性能在很大程度上取决于此，这对电动汽车的普及也至关重要。传感器集成方面的进展以及AI的应用，为满足这些要求提供了变革性的机遇。

传统上，对电池的监测是在宏观层面进行的，但这只能对电芯内部的复杂过程提供有限的了解。而在生产过程中集成传感器技术，则带来了新的可能性。Fraunhofer ILT的研究人员将传感器直接打印到部件上，甚至将智能测量设备集成到部件中。这些传感器使得实时监测成为可能，例如在电池使用过程中测量温度、力甚至电池内部的化学变化。

“通过增材制造的传感器，我们可以持续监测电池模组的状态，并在早期对潜在缺陷做出反应。”Samuel Fink解释道。这些传感器只有几微米厚，精度高且能抵抗机械和热应力，所有这些特性使它们非常适合用于电池和电池模组中。它们能够提供连续数据，从而实现预测性维护，即在潜在缺陷发生之前检测到它们。

然而，仅集成传感器技术还不足以实现预测性维护。传感器可以检测电芯化学性质的变化，而AI算法则分析这些数据并对电芯的使用寿命做出预测。Fraunhofer ILT数据科学与测量技术部门的研究人员，正在开发这样的AI支持的算法，用于实时分析来自传感器的大量数据。这些系统还能动态调整工艺，例如优化电芯组装过程中的温度曲线或调整激光焊接参数。

回收与再利用：电池技术迈向循环经济之路

随着电池技术的蓬勃发展，对可持续策略的需求也在增长，以回收有价值的原材料。一个有效的循环经济对于减少对原生原材料的依赖，同时将电池生产对环境的影响降至最低至关重要。

图4：在ADIR项目的回收过程中，使用激光辐射对电路板组件进行非接触式曝光和拆焊。（图片来源：Fraunhofer ILT）

在欧盟的 ADIR 项目中，Fraunhofer ILT正与来自三个国家的八个项目合作伙伴，共同开发一种针对电子设备的可持续回收概念。ACROBAT 项目旨在在磷酸铁锂电池大规模进入市场之前，制定出回收这些电池的计划。该项目的目标是回收超过 90% 的关键材料。Fraunhofer ILT与 Accurec Recycling 等合作伙伴一起，致力于开发在生态和经济上都可持续的创新分离和加工方法。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。

凭借其自身的激光诱导击穿光谱（LIBS）工艺，Fraunhofer ILT能够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。在这里，也可以集成AI来分析激光测量得到的大量数据，并实时优化回收过程。这种由AI支持的监测，能够动态调整回收参数，从而减少废料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，因此也是融合了效率、可持续性和卓越技术的创新焦点。生产链中所呈现的技术和发展成果表明，最先进的激光工艺如何为可持续且具有竞争力的电池行业铺平道路：从原材料制备、电极生产到电芯组装和回收利用。与此同时，AI支持的分析和控制系统，为工艺控制开创了一个新的维度，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，AI支持的控制回路可能实现自主生产，使生产过程能够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开辟了新的可能性。

图5：利用激光和AI实现经济、高效且可靠的可持续电池生产。（图片来源：Fraunhofer ILT）