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激光驱动的新型X射线源促进电池性能改进
材料来源:LFWC           录入时间:2024/6/19 22:50:50

文/Patricia Panchak

图1:用于时域脉冲压缩的实验装置。

XProLas是由通快公司(TRUMPF)牵头、德国联邦教育与研究部(BMBF)资助的一项研究计划,旨在利用激光驱动的X射线源,彻底改变电动汽车电池的研发过程。该项目将开发一种结构紧凑、高亮度的下一代激光驱动的X射线源和演示系统,供制造商用于改善电池的耐用性及性能。

该团队设想推出一款移动家用式设备,使制造商能够在现场进行电池测试,从而加快电池的研发速度并降低成本。目前,行业研究人员必须花费宝贵的时间在同步加速器设备上对电池内部的化学过程进行可视化观察,以了解反复充电循环如何影响电池的物理结构,以及随着时间的推移电池容量如何降低。

XProLas的项目目标是在 2026 年之前建造第一套应用示范系统。

TRUMPF公司产品经理Torsten Mans是该项目的负责人,详细介绍了该项目的起源、需要克服的技术挑战以及其他受益的应用。

XProLas 项目的起源

Mans介绍说,这项工作始于两年前,当时BMBF呼吁提出探索开发高辐射源的项目提案。为了实现这一目标,除了需要TRUMPF 提供一款高功率激光器外,还需要解决一些其他难题。他解释说,“首先需要选择一种合适的靶材料产生X 射线源,然后需要集成商对X射线源进行集成及应用,此外还需要提供待测样品的合作伙伴,利用X射线源的对样品进行测量。”为此他与TRUMPF可以合作的多家公司进行了洽谈。“幸运的是,我们找到了愿意并有能力一起攻克技术难题的公司。”

XProLas 项目团队

目前,七家公司和三个学术中心为该项目的开发做出了贡献:

・TRUMPF公司:拥有新型高功率、超短脉冲激光系统,其激光参数创世界纪录,将成为未来X 射线源的泵浦前端;

・BASF和 Cellforce:提供用于测试的电池材料及组件;

・德国 Ushio 公司和 Excillum公司:提供靶材料产生X 射线源;

・Bruker和Viscom 公司:系统集成、建造及 X 射线应用;

・Hannover大学以及位于Aachen 和 Jena的Fraunhofer研究所:学术项目开发基地。

XProLas项目由TRUMPF公司的二次光源计划发展而来。当时的TRUMPF首席技术官、现任监事会主席Peter Leibinger提出了这个想法,并为此推动了多年。Mans说,“这个想法与我们一直在推行的二次光源计划非常吻合。”

“TRUMPF向ASML提供的EUV(极紫外光源)技术是蓝图,ASML是唯一一家生产和销售用于大批量半导体制造的EUV系统的公司。”Mans解释说,“我们提供激光驱动器来产生这种极紫外光。我们称之为第一个商业上成功的二次光源,它就是这个项目的核心。”

在激光技术中,二次光源指的是通过与主激光束相互作用,而产生二次辐射或发射(如光、X 射线或电子)的设备或组件。

在XProLas的装置中,高强度激光束与真空中的靶材料(通常是Ga、In或Sn等金属)相互作用,产生等离子体,并发射 X 射线作为其能量输出的一部分。

另外,Mans解释说,改变靶材料会产生“不同的二次辐射,这种辐射具有独特的性质,可以有其他应用。例如,还可以产生粒子辐射,”他补充道,“我们有一个正在运行的项目,用于激光加速电子。”

图2:脉冲压缩室中的光束路径,通过气体介质肉眼可见。

技术挑战

Mans表示,要实现XProLas项目的目标,团队必须解决几个科学和技术挑战。首要目标是““创建一个X射线源,与目前的技术水平相比,它的亮度要高出大约一个数量级。”Mans解释道。X 射线是分析和确定电动汽车电池正极材料成分的必要光源,对电池的性能和可靠性至关重要。Mans补充说,目前进行此类研究的同步加速器可以产生最亮的X射线源,以此开发出了新的 X 射线技术,“但对于大多数实际应用,同步加速器并不适合”。

XProLas 项目要研发的 X 射线源的亮度仍将大大低于同步加速器产生的亮度,但 “比除同步加速器之外的目前所能获得的X射线亮度高 10 倍”。

Mans解释说,“随着激光技术的进步,我们需要创造相对论强度(约1018W/cm2或更高)的激光源来加速靶材料内部的电子。同时,我们将在千瓦级功率水平上完成这项工作,这在以前从未有过,所以这是一项科学挑战。”

为了实现这一目标,TRUMPF 计划首先使用一个平均功率为千瓦的激光源,其脉冲持续时间将要达到皮秒,但这对于产生相对论强度来说太长了。“因此,我们将增加一个Herriott单元,这是一种光谱展宽技术,可以产生更短的脉冲持续时间。”Mans说道。

他补充说,使用脉冲激光器产生X射线源是一种独特方法,研究团队可能会因此遇到与脉冲激光器以及探测器相关的诸多技术问题。

另一个面临的挑战是靶材料的研发。在相对论强度和千瓦级的平均功率下,靶材料会立即蒸发。“靶材料的蒸发会随之带来严重的污染问题,因此需要保护好聚焦光学元件和窗片,以便让激光进入,X射线出射。”Mans解释说,“此外,光束定位也是个大问题。需要有个非常稳定的液态金属表面,而它会被100kHz重复频率的高平均功率激光所干扰。”

此外,对于X射线的众多应用而言,开发能够充分利用高亮度的新型 X 射线光学元件,也是一项技术挑战。

“因此,在供应链的每一个环节,都存在着巨大的挑战。但我认为XProLas项目团队非常优秀,每个人都非常有信心解决自己的那部分技术问题。”Mans总结说,“不可否认的是,XProLas仍然是一个高风险的研究项目。”

不仅仅限于电动汽车电池测试

虽然 XProLas 项目最初侧重于电池生产中的应用,但它也可扩展到其他应用。例如可用于需要更精细分辨率的药物研发,以及寻求优化生产流程的半导体制造。

此外,通过向制造商提供紧凑型X射线源,该项目会将传统上仅限于同步加速器进行的实验转移到各个公司的实验室,研究人员可以在这些实验室中以很小的规模和成本进行深入分析,从而加快创新步伐。


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