As baterias de lítio quadradas de alumínio têm muitas vantagens, como estrutura simples, boa resistência ao impacto, alta densidade de energia e grande capacidade celular. Eles sempre foram a principal direção de fabricação e desenvolvimento de baterias de lítio nacionais, respondendo por mais de 40% do mercado.
A estrutura da bateria de lítio com invólucro quadrado de alumínio é mostrada na figura, que é composta pelo núcleo da bateria (folhas de eletrodo positivo e negativo, separador), eletrólito, invólucro, tampa superior e outros componentes.
Estrutura quadrada de bateria de lítio em alumínio
Durante o processo de fabricação e montagem de baterias de lítio quadradas de alumínio, um grande número desoldagem a lasersão necessários processos, tais como: soldagem de conexões suaves de células de bateria e placas de cobertura, soldagem de vedação de placa de cobertura, soldagem de pregos de vedação, etc. A soldagem a laser é o principal método de soldagem para baterias de energia prismática. Devido à sua alta densidade de energia, boa estabilidade de potência, alta precisão de soldagem, fácil integração sistemática e muitas outras vantagens,soldagem a laseré insubstituível no processo de produção de baterias de lítio prismáticas de alumínio. papel.
Plataforma de galvanômetro automático Maven de 4 eixosmáquina de solda a laser de fibra
A costura de soldagem da vedação da tampa superior é a costura de soldagem mais longa na bateria quadrada de alumínio e também é a costura de soldagem que leva mais tempo para soldar. Nos últimos anos, a indústria de fabricação de baterias de lítio desenvolveu-se rapidamente, e a tecnologia do processo de soldagem a laser de vedação da tampa superior e sua tecnologia de equipamentos também se desenvolveram rapidamente. Com base nas diferentes velocidades de soldagem e desempenho do equipamento, dividimos aproximadamente os equipamentos e processos de soldagem a laser de cobertura superior em três eras. Eles são a era 1.0 (2015-2017) com velocidade de soldagem <100 mm/s, a era 2.0 (2017-2018) com 100-200 mm/s e a era 3.0 (2019-) com 200-300 mm/s. A seguir apresentaremos o desenvolvimento da tecnologia ao longo do caminho dos tempos:
1. A era 1.0 da tecnologia de soldagem a laser de cobertura superior
Velocidade de soldagem<100 mm/s
De 2015 a 2017, os novos veículos domésticos de energia começaram a explodir impulsionados por políticas, e a indústria de baterias de energia começou a se expandir. No entanto, a acumulação de tecnologia e as reservas de talentos das empresas nacionais ainda são relativamente pequenas. Os processos de fabricação de baterias e tecnologias de equipamentos relacionados também estão em sua infância, e o grau de automação dos equipamentos é relativamente baixo, os fabricantes de equipamentos apenas começaram a prestar atenção à fabricação de baterias de energia e a aumentar o investimento em pesquisa e desenvolvimento. Neste estágio, os requisitos de eficiência de produção da indústria para equipamentos de vedação a laser de bateria quadrada são geralmente de 6 a 10PPM. A solução do equipamento geralmente usa um laser de fibra de 1kw para emitir através de umcabeça de soldagem a laser(conforme mostrado na imagem), e a cabeça de soldagem é acionada por um servo motor de plataforma ou motor linear. Movimento e soldagem, velocidade de soldagem 50-100 mm/s.
Usando laser de 1kw para soldar a tampa superior do núcleo da bateria
Nosoldagem a laserprocesso, devido à velocidade de soldagem relativamente baixa e ao tempo de ciclo térmico relativamente longo da solda, a poça fundida tem tempo suficiente para fluir e solidificar, e o gás protetor pode cobrir melhor a poça fundida, facilitando a obtenção de uma superfície lisa e superfície completa, solda com boa consistência, conforme mostrado abaixo.
Formação de costura de solda para soldagem em baixa velocidade da tampa superior
Em termos de equipamentos, embora a eficiência da produção não seja alta, a estrutura do equipamento é relativamente simples, a estabilidade é boa e o custo do equipamento é baixo, o que atende bem às necessidades de desenvolvimento da indústria nesta fase e estabelece as bases para a tecnologia subsequente. desenvolvimento.
Embora a soldagem de vedação da tampa superior da era 1.0 tenha as vantagens de uma solução de equipamento simples, baixo custo e boa estabilidade. Mas as suas limitações inerentes também são muito óbvias. Em termos de equipamento, a capacidade de acionamento do motor não consegue atender à demanda por maior aumento de velocidade; em termos de tecnologia, simplesmente aumentar a velocidade de soldagem e a potência do laser para acelerar ainda mais causará instabilidade no processo de soldagem e uma diminuição no rendimento: o aumento da velocidade encurta o tempo do ciclo térmico de soldagem e o metal O processo de fusão é mais intenso, os respingos aumentam, a adaptabilidade às impurezas será pior e é mais provável que se formem buracos de respingos. Ao mesmo tempo, o tempo de solidificação da poça fundida é reduzido, o que fará com que a superfície da solda fique áspera e a consistência seja reduzida. Quando o ponto do laser é pequeno, a entrada de calor não é grande e os respingos podem ser reduzidos, mas a relação profundidade-largura da solda é grande e a largura da solda não é suficiente; quando o ponto do laser é grande, é necessária maior potência do laser para aumentar a largura da solda. Grande, mas ao mesmo tempo levará ao aumento de respingos de soldagem e à má qualidade de formação da superfície da solda. No nível técnico, nesta fase, uma maior aceleração significa que o rendimento deve ser trocado por eficiência, e os requisitos de atualização para equipamentos e tecnologia de processo tornaram-se exigências da indústria.
2. A era 2.0 da capa superiorsoldagem a lasertecnologia
Velocidade de soldagem 200 mm/s
Em 2016, a capacidade instalada de baterias automotivas da China foi de aproximadamente 30,8 GWh, em 2017 foi de aproximadamente 36 GWh e, em 2018, deu início a uma nova explosão, a capacidade instalada atingiu 57 GWh, um aumento anual de 57%. Os veículos de passageiros de nova energia também produziram quase um milhão, um aumento anual de 80,7%. Por trás da explosão na capacidade instalada está a liberação da capacidade de fabricação de baterias de lítio. As baterias de veículos de passageiros de nova energia representam mais de 50% da capacidade instalada, o que também significa que os requisitos da indústria para o desempenho e a qualidade das baterias se tornarão cada vez mais rigorosos, e as melhorias que as acompanham na tecnologia de equipamentos de fabricação e na tecnologia de processos também entraram em uma nova era. : para atender aos requisitos de capacidade de produção de linha única, a capacidade de produção do equipamento de soldagem a laser de cobertura superior precisa ser aumentada para 15-20PPM, e seusoldagem a lasera velocidade precisa atingir 150-200 mm/s. Portanto, em termos de motores de acionamento, vários fabricantes de equipamentos têm A plataforma do motor linear foi atualizada para que seu mecanismo de movimento atenda aos requisitos de desempenho de movimento para soldagem de velocidade uniforme de trajetória retangular de 200 mm/s; no entanto, como garantir a qualidade da soldagem sob soldagem de alta velocidade requer mais avanços no processo, e as empresas do setor conduziram muitas explorações e estudos: Em comparação com a era 1.0, o problema enfrentado pela soldagem de alta velocidade na era 2.0 é: usar lasers de fibra comuns para produzir uma fonte de luz de ponto único através de cabeças de soldagem comuns, a seleção é difícil de atender ao requisito de 200 mm/s.
Na solução técnica original, o efeito de conformação da soldagem só pode ser controlado configurando opções, ajustando o tamanho do ponto e ajustando parâmetros básicos como potência do laser: ao usar uma configuração com ponto menor, o buraco da fechadura da poça de soldagem será pequeno , o formato da piscina ficará instável e a soldagem ficará instável. A largura de fusão da costura também é relativamente pequena; ao usar uma configuração com um ponto de luz maior, o buraco da fechadura aumentará, mas a potência de soldagem aumentará significativamente e as taxas de respingos e furos de explosão aumentarão significativamente.
Teoricamente, se você quiser garantir o efeito de formação de solda de alta velocidadesoldagem a laserda tampa superior, você precisa atender aos seguintes requisitos:
① A costura de soldagem tem largura suficiente e a relação profundidade-largura da costura de soldagem é apropriada, o que requer que a faixa de ação térmica da fonte de luz seja grande o suficiente e a energia da linha de soldagem esteja dentro de uma faixa razoável;
② A solda é lisa, o que requer que o tempo do ciclo térmico da solda seja longo o suficiente durante o processo de soldagem para que a poça fundida tenha fluidez suficiente e a solda se solidifique em uma solda de metal lisa sob a proteção do gás protetor;
③ A costura de solda tem boa consistência e poucos poros e furos. Isso requer que durante o processo de soldagem, o laser atue de forma estável na peça de trabalho, e o feixe de plasma de alta energia seja gerado continuamente e atue no interior da poça de fusão. A poça fundida produz “chave” sob a força de reação do plasma. “buraco”, o buraco da fechadura é grande e estável o suficiente, de modo que o vapor metálico e o plasma gerados não são fáceis de ejetar e trazer gotículas de metal, formando respingos, e a poça derretida ao redor do buraco da fechadura não é fácil de colapsar e envolver gás . Mesmo que objetos estranhos sejam queimados durante o processo de soldagem e gases sejam liberados de forma explosiva, um buraco de fechadura maior é mais propício à liberação de gases explosivos e reduz respingos de metal e furos formados.
Em resposta aos pontos acima, as empresas fabricantes de baterias e as empresas fabricantes de equipamentos do setor fizeram várias tentativas e práticas: a fabricação de baterias de lítio foi desenvolvida no Japão há décadas e as tecnologias de fabricação relacionadas assumiram a liderança.
Em 2004, quando a tecnologia de laser de fibra ainda não tinha sido amplamente aplicada comercialmente, a Panasonic usou lasers semicondutores LD e lasers YAG bombeados por lâmpada pulsada para saída mista (o esquema é mostrado na figura abaixo).
Diagrama esquemático da tecnologia de soldagem híbrida multilaser e estrutura do cabeçote de soldagem
O ponto de luz de alta densidade de potência gerado pelo pulsadoLaser YAGcom um pequeno ponto é usado para atuar na peça de trabalho para gerar furos de soldagem para obter penetração de soldagem suficiente. Ao mesmo tempo, o laser semicondutor LD é usado para fornecer laser CW contínuo para pré-aquecer e soldar a peça de trabalho. A poça fundida durante o processo de soldagem fornece mais energia para obter furos de soldagem maiores, aumentar a largura da costura de soldagem e prolongar o tempo de fechamento dos furos de soldagem, ajudando o gás da poça derretida a escapar e reduzindo a porosidade da soldagem costura, como mostrado abaixo
Diagrama esquemático do híbridosoldagem a laser
Aplicando esta tecnologia,Lasers YAGe lasers LD com apenas algumas centenas de watts de potência podem ser usados para soldar caixas finas de baterias de lítio a uma alta velocidade de 80 mm/s. O efeito de soldagem é mostrado na figura.
Morfologia da solda sob diferentes parâmetros de processo
Com o desenvolvimento e ascensão dos lasers de fibra, os lasers de fibra substituíram gradualmente os lasers YAG pulsados no processamento de metal a laser devido às suas muitas vantagens, como boa qualidade do feixe, alta eficiência de conversão fotoelétrica, longa vida, fácil manutenção e alta potência.
Portanto, a combinação de laser na solução de soldagem híbrida a laser acima evoluiu para um laser de fibra + laser semicondutor LD, e o laser também é emitido coaxialmente por meio de um cabeçote de processamento especial (o cabeçote de soldagem é mostrado na Figura 7). Durante o processo de soldagem, o mecanismo de ação do laser é o mesmo.
Junta de soldagem a laser composta
Neste plano, o pulsadoLaser YAGé substituído por um laser de fibra com melhor qualidade de feixe, maior potência e saída contínua, o que aumenta muito a velocidade de soldagem e obtém melhor qualidade de soldagem (o efeito de soldagem é mostrado na Figura 8). Este plano também é, portanto, preferido por alguns clientes. Atualmente, esta solução tem sido utilizada na produção de soldagem de vedação de tampa superior de bateria de energia, podendo atingir uma velocidade de soldagem de 200 mm/s.
Aparência da solda da tampa superior por soldagem a laser híbrida
Embora a solução de soldagem a laser de comprimento de onda duplo resolva a estabilidade da soldagem de soldagem de alta velocidade e atenda aos requisitos de qualidade de soldagem de soldagem de alta velocidade das tampas superiores das células da bateria, ainda existem alguns problemas com esta solução do ponto de vista do equipamento e do processo.
Em primeiro lugar, os componentes de hardware desta solução são relativamente complexos, exigindo o uso de dois tipos diferentes de lasers e juntas especiais de soldagem a laser de comprimento de onda duplo, o que aumenta os custos de investimento do equipamento, aumenta a dificuldade de manutenção do equipamento e aumenta o potencial de falha do equipamento. pontos;
Em segundo lugar, o comprimento de onda duplosoldagem a laserA articulação usada é composta por vários conjuntos de lentes (ver Figura 4). A perda de potência é maior do que a das juntas de soldagem comuns e a posição da lente precisa ser ajustada para a posição apropriada para garantir a saída coaxial do laser de comprimento de onda duplo. E focando em um plano focal fixo, operação em alta velocidade a longo prazo, a posição da lente pode ficar frouxa, causando alterações no caminho óptico e afetando a qualidade da soldagem, exigindo reajuste manual;
Terceiro, durante a soldagem, a reflexão do laser é severa e pode facilmente danificar equipamentos e componentes. Especialmente ao reparar produtos defeituosos, a superfície lisa da solda reflete uma grande quantidade de luz laser, o que pode facilmente causar um alarme de laser, e os parâmetros de processamento precisam ser ajustados para reparo.
Para resolver os problemas acima, temos que encontrar outra maneira de explorar. Em 2017-2018, estudamos o balanço de alta frequênciasoldagem a lasertecnologia da tampa superior da bateria e a promoveu para aplicação em produção. A soldagem por oscilação de alta frequência com feixe de laser (doravante denominada soldagem por oscilação) é outro processo atual de soldagem de alta velocidade de 200 mm/s.
Em comparação com a solução de soldagem a laser híbrida, a parte de hardware desta solução requer apenas um laser de fibra comum acoplado a uma cabeça de soldagem a laser oscilante.
cabeça de soldagem oscilante oscilante
Há uma lente reflexiva acionada por motor dentro da cabeça de soldagem, que pode ser programada para controlar o laser para oscilar de acordo com o tipo de trajetória projetada (geralmente circular, em forma de S, em forma de 8, etc.), amplitude e frequência de oscilação. Diferentes parâmetros de oscilação podem fazer com que a seção transversal de soldagem venha em diferentes formas e tamanhos.
Soldas obtidas sob diferentes trajetórias de oscilação
A cabeça de soldagem oscilante de alta frequência é acionada por um motor linear para soldar ao longo do espaço entre as peças de trabalho. De acordo com a espessura da parede do invólucro celular, o tipo e a amplitude de trajetória de balanço apropriados são selecionados. Durante a soldagem, o feixe de laser estático formará apenas uma seção transversal de solda em forma de V. No entanto, impulsionado pela cabeça de soldagem oscilante, o ponto do feixe oscila em alta velocidade no plano focal, formando um buraco de fechadura de soldagem dinâmico e rotativo, que pode obter uma relação profundidade-largura de solda adequada;
O buraco da fechadura giratório da soldagem agita a solda. Por um lado, ajuda o gás a escapar e reduz os poros da solda, além de ter certo efeito no reparo dos furos no ponto de explosão da solda (ver Figura 12). Por outro lado, o metal de solda é aquecido e resfriado de maneira ordenada. A circulação faz com que a superfície da solda pareça um padrão regular e ordenado de escamas de peixe.
Formação de costura de soldagem oscilante
Adaptabilidade das soldas à contaminação da pintura sob diferentes parâmetros de oscilação
Os pontos acima atendem aos três requisitos básicos de qualidade para soldagem em alta velocidade da tampa superior. Esta solução tem outras vantagens:
① Como a maior parte da potência do laser é injetada no buraco da fechadura dinâmico, o laser disperso externo é reduzido, portanto, apenas uma potência do laser menor é necessária e a entrada de calor de soldagem é relativamente baixa (30% menor que a soldagem composta), o que reduz o equipamento perda e perda de energia;
② O método de soldagem swing possui alta adaptabilidade à qualidade de montagem das peças e reduz defeitos causados por problemas como etapas de montagem;
③O método de soldagem oscilante tem um forte efeito de reparo nos furos de solda, e a taxa de rendimento do uso deste método para reparar os furos de solda do núcleo da bateria é extremamente alta;
④O sistema é simples e a depuração e manutenção do equipamento são simples.
3. A era 3.0 da tecnologia de soldagem a laser de cobertura superior
Velocidade de soldagem 300 mm/s
À medida que os novos subsídios à energia continuam a diminuir, quase toda a cadeia industrial da indústria de fabrico de baterias caiu num mar vermelho. A indústria também entrou num período de remodelação e a proporção de empresas líderes com escala e vantagens tecnológicas aumentou ainda mais. Mas, ao mesmo tempo, “melhorar a qualidade, reduzir custos e aumentar a eficiência” tornar-se-á o tema principal de muitas empresas.
No período de baixos ou nenhuns subsídios, apenas conseguindo actualizações iterativas da tecnologia, alcançando maior eficiência de produção, reduzindo o custo de fabrico de uma única bateria e melhorando a qualidade do produto poderemos ter uma oportunidade extra de vencer a competição.
A Han's Laser continua investindo em pesquisas sobre tecnologia de soldagem de alta velocidade para tampas superiores de células de bateria. Além dos vários métodos de processo apresentados acima, também estuda tecnologias avançadas, como tecnologia de soldagem a laser por pontos anulares e tecnologia de soldagem a laser galvanômetro para tampas superiores de células de bateria.
Para melhorar ainda mais a eficiência da produção, explore a tecnologia de soldagem de cobertura superior a 300 mm/s e velocidade mais alta. A Han's Laser estudou a vedação de soldagem a laser por galvanômetro de varredura em 2017-2018, superando as dificuldades técnicas de difícil proteção de gás da peça de trabalho durante a soldagem por galvanômetro e efeito de formação de superfície de solda deficiente, e alcançando 400-500 mm/ssoldagem a laserda tampa superior da célula. A soldagem leva apenas 1 segundo para uma bateria 26148.
Porém, devido à alta eficiência, é extremamente difícil desenvolver equipamentos de suporte que correspondam à eficiência e o custo do equipamento é alto. Portanto, nenhum desenvolvimento adicional de aplicação comercial foi realizado para esta solução.
Com o maior desenvolvimento delaser de fibratecnologia, foram lançados novos lasers de fibra de alta potência que podem produzir diretamente pontos de luz em forma de anel. Este tipo de laser pode produzir pontos de laser de anel de ponto através de fibras ópticas multicamadas especiais, e o formato do ponto e a distribuição de energia podem ser ajustados, conforme mostrado na figura
Soldas obtidas sob diferentes trajetórias de oscilação
Através do ajuste, a distribuição da densidade de potência do laser pode ser transformada em um formato de donut-tophat. Esse tipo de laser é denominado Corona, conforme mostrado na figura.
Feixe de laser ajustável (respectivamente: luz central, luz central + anel de luz, anel de luz, dois anéis de luz)
Em 2018, foi testada a aplicação de múltiplos lasers deste tipo na soldagem de tampas superiores de células de bateria de alumínio e, com base no laser Corona, foi lançada a pesquisa sobre a solução de tecnologia de processo 3.0 para soldagem a laser de tampas superiores de células de bateria. Quando o laser Corona realiza saída no modo de anel de ponto, as características de distribuição de densidade de potência de seu feixe de saída são semelhantes à saída composta de um laser semicondutor + fibra.
Durante o processo de soldagem, o ponto de luz central com alta densidade de potência forma um buraco de fechadura para soldagem de penetração profunda para obter penetração de soldagem suficiente (semelhante à saída do laser de fibra na solução de soldagem híbrida), e o anel de luz fornece maior entrada de calor, alargar o buraco da fechadura, reduzir o impacto do vapor metálico e do plasma no metal líquido na borda do buraco da fechadura, reduzir o respingo de metal resultante e aumentar o tempo do ciclo térmico da solda, ajudando o gás na poça fundida a escapar por um mais tempo, melhorando a estabilidade dos processos de soldagem de alta velocidade (semelhante à saída de lasers semicondutores em soluções de soldagem híbrida).
No teste, soldamos baterias de parede fina e descobrimos que a consistência do tamanho da solda era boa e a capacidade do processo CPK era boa, conforme mostrado na Figura 18.
Aparência da soldagem da tampa superior da bateria com espessura de parede de 0,8 mm (velocidade de soldagem 300 mm/s)
Em termos de hardware, ao contrário da solução de soldadura híbrida, esta solução é simples e não requer dois lasers ou uma cabeça de soldadura híbrida especial. Requer apenas um cabeçote de soldagem a laser comum comum de alta potência (já que apenas uma fibra óptica produz um único comprimento de onda de laser, a estrutura da lente é simples, nenhum ajuste é necessário e a perda de energia é baixa), facilitando a depuração e manutenção , e a estabilidade do equipamento é bastante melhorada.
Além do sistema simples da solução de hardware e do atendimento aos requisitos do processo de soldagem de alta velocidade da tampa superior da célula da bateria, esta solução tem outras vantagens em aplicações de processo.
No teste, soldamos a tampa superior da bateria a uma alta velocidade de 300 mm/s e ainda obtivemos bons efeitos de formação de costura de soldagem. Além disso, para cascas com diferentes espessuras de parede de 0,4, 0,6 e 0,8 mm, apenas ajustando o modo de saída do laser, uma boa soldagem pode ser realizada. Porém, para soluções de soldagem híbrida a laser de comprimento de onda duplo, é necessário alterar a configuração óptica do cabeçote de soldagem ou do laser, o que acarretará maiores custos de equipamento e custos de tempo de depuração.
Portanto, o ponto anelarsoldagem a laserA solução pode não apenas alcançar soldagem de cobertura superior em velocidade ultra-alta a 300 mm/s e melhorar a eficiência de produção de baterias de energia. Para empresas fabricantes de baterias que precisam de mudanças frequentes de modelo, esta solução também pode melhorar muito a qualidade dos equipamentos e produtos. compatibilidade, encurtando a mudança de modelo e o tempo de depuração.
Aparência da soldagem da tampa superior da bateria com espessura de parede de 0,4 mm (velocidade de soldagem 300 mm/s)
Aparência da soldagem da tampa superior da bateria com espessura de parede de 0,6 mm (velocidade de soldagem 300 mm/s)
Penetração de solda a laser Corona para soldagem de células de parede fina – Capacidades do processo
Além do laser Corona mencionado acima, os lasers AMB e ARM têm características de saída óptica semelhantes e podem ser usados para resolver problemas como melhorar os respingos de solda do laser, melhorar a qualidade da superfície da solda e melhorar a estabilidade da soldagem em alta velocidade.
4. Resumo
As diversas soluções mencionadas acima são todas utilizadas na produção real por empresas fabricantes de baterias de lítio nacionais e estrangeiras. Devido aos diferentes tempos de produção e diferentes formações técnicas, diferentes soluções de processo são amplamente utilizadas na indústria, mas as empresas têm requisitos mais elevados de eficiência e qualidade. Está em constante melhoria e em breve mais novas tecnologias serão aplicadas por empresas na vanguarda da tecnologia.
A nova indústria de baterias energéticas da China começou relativamente tarde e desenvolveu-se rapidamente impulsionada pelas políticas nacionais. As tecnologias relacionadas continuaram a avançar com os esforços conjuntos de toda a cadeia da indústria e reduziram de forma abrangente a lacuna com empresas internacionais de destaque. Como fabricante nacional de equipamentos para baterias de lítio, a Maven também está constantemente explorando suas próprias áreas de vantagem, ajudando em atualizações iterativas de equipamentos de baterias e fornecendo melhores soluções para a produção automatizada de novos pacotes de módulos de baterias de armazenamento de energia.
Horário da postagem: 19 de setembro de 2023
