Cet article résume la technologie laser appliquée à la production de batteries Li-ion, tirée d'un article détaillé sur le sujet (référence 1). Les applications spécifiques abordées sont les suivantes :
a) Découpe laser des électrodes
b) Recuit laser des électrodes
c) Séchage au laser des électrodes
d) Concept de batterie 3D
Pour toutes ces applications, un laser à fibre ns peut être utilisé.
a) Découpe laser des électrodes :
Traditionnellement, le découpage mécanique est utilisé pour la découpe des électrodes, mais cette méthode souffre d'usure des outils et d'un manque de flexibilité quant à la conception des électrodes. La découpe laser est une alternative (référence 1, référence 2). Pour être compétitive par rapport au poinçonnage, la découpe laser doit permettre de découper une à deux feuilles d'électrodes par seconde pour les cellules haute énergie (HE) de type poche et dont l'épaisseur de film est généralement comprise entre 100 et 150 mm. La figure 1 illustre le processus de découpe d'une électrode à l'aide d'un laser à fibre proche infrarouge à 1064 nm et d'une lentille F-teta. Ce travail a été réalisé sur une électrode en oxyde de lithium, nickel, manganèse et cobalt (NMC).
Figure 1 : Découpe d'une électrode NMC à l'aide d'un laser proche infrarouge (Référence 1)
L'impact thermique est un problème majeur lors de la découpe au laser. Même avec des paramètres laser optimisés, ses effets ne peuvent pas être ignorés. L'impact thermique dépend de la largeur et de la fréquence d'impulsion laser. Des largeurs d'impulsion plus courtes, de l'ordre de la femtoseconde, minimisent la longueur de diffusion thermique. Par exemple, pour un laser d'une largeur d'impulsion de 200 ns, la longueur de diffusion thermique est de 350 nm, tandis que pour un laser d'une largeur d'impulsion de 350 fs, elle est de l'ordre de 0,5 nm. La fréquence de répétition des impulsions influence aussi l'accumulation de chaleur. Lorsque ce paramètre est faible, la perte d'énergie par conduction thermique est le facteur dominant, mais pour des fréquences de répétition élevées, la température moyenne de surface augmente. Bien que l'augmentation de la température de surface puisse entraîner une augmentation de la quantité de matière enlevée par impulsion laser, cela peut également provoquer une fusion et endommager le matériau de l'électrode. Un compromis est nécessaire pour obtenir un procédé plus efficace sans endommager le matériau de l'électrode.
b) Recuit laser des électrodes :
Le recuit laser est également très efficace pour contrôler les phases cristallines des couches minces cathodiques. Un recuit laser rapide a déjà été démontré pour la cristallisation de cathodes telles que les couches minces de LiCoO2 et LiM2O4. Outre la phase cristalline, la grosseur des grains peut être contrôlée en fonction du temps de recuit. Dans le cas de LiCoO2, il a été démontré qu'une température de recuit appropriée se situe entre 400 et 700 °C. Des températures inférieures à 400 °C entraînent des conversions insuffisantes, tandis que des températures supérieures à 700 °C entraînent la formation d'une phase de contamination (CO3O4).
c) Séchage au laser des électrodes :
La figure 2 illustre le processus de production d'électrodes à couche épaisse. Pendant le séchage, l'électrode humide est exposée au foyer linéaire d'un laser à fibre haute puissance.
Figure 2 : séchage au laser dans la production d'électrodes à couche épaisse (référence 1)
Récemment, une technologie de séchage au laser pour anodes (graphite) et cathodes (LiFe PO4) a été développée. Un laser à fibre de 450 watts fonctionnant à 1070 nm a été utilisé. Il a été constaté que de nombreuses caractéristiques, telles que la morphologie de l'électrode, l'humidité résiduelle et les performances électrochimiques, étaient identiques, que l'électrode soit séchée par procédé laser ou par procédé conventionnel. En comparaison, le procédé laser a permis de doubler la consommation d'énergie par rapport au procédé au four. Cependant, la vitesse de séchage au laser est lente et doit être améliorée.
d) Concept de batterie 3D :
Les performances des batteries peuvent être améliorées par la structuration laser d'électrodes composites et la conversion d'une conception 2D en conception 3D. La fabrication laser de batteries au lithium 3D a été réalisée grâce à des architectures micro et nanostructurées. Cela pourrait potentiellement doubler la densité énergétique en augmentant l'espace disponible. Grâce à l'électrode fabriquée par ablation laser, la batterie 3D à rapport d'aspect élevé a été réalisée. La structure conçue au laser améliore la rétention des cycles, la densité de puissance et la densité énergétique. La figure 3 compare une batterie structurée 2D et une batterie 3D.
Figure 3 : Comparaison des structures de batterie 2D et 3D (Référence 1)
Les lasers UV, tels que les lasers excimères d'une puissance de 10 à 20 watts, sont traditionnellement utilisés pour obtenir une meilleure résolution des motifs d'ablation laser dans une électrode. Cependant, leur vitesse de traitement est très lente et convient aux micro-batteries à faible encombrement. Pour des vitesses de traitement plus élevées, des lasers à fibre nanoseconde peuvent être utilisés, ce qui permet de traiter des surfaces importantes.
Allied Scientific Pro offre des solutions de découpe laser à fibre. Pour plus d'informations, consultez le lien suivant :
https://www.asensetekca.com/ blog/ welcome-to - our - blog - 1/post/ application - of-laser-technology-to-li-ion-battery-production-87#
Les lasers UV, tels que les lasers excimères d'une puissance de 10 à 20 watts, sont traditionnellement utilisés pour obtenir une meilleure résolution des motifs d'ablation laser dans une électrode. Cependant, leur vitesse de traitement est très lente et convient aux micro-batteries à faible encombrement. Pour des vitesses de traitement plus élevées, des lasers à fibre nanoseconde peuvent être utilisés, ce qui permet de traiter des surfaces plus importantes.
Références :
1-Une revue du traitement des électrodes laser pour le développement et la fabrication de batteries lithium-ion, Wilhelm Pfleging, Nano-photonics, 2017.
2-Influence des arêtes de coupe générées par laser sur les performances électriques des grandes cellules lithium-ion pouch, T. Jansen et.al, batteries 2019, 5, 73.