As baterias de lítio com invólucro quadrado de alumínio apresentam muitas vantagens, como estrutura simples, boa resistência a impactos, alta densidade de energia e grande capacidade da célula. Elas sempre foram a principal direção da fabricação e desenvolvimento de baterias de lítio no mercado nacional, representando mais de 40% do mercado.
A estrutura da bateria de lítio com invólucro quadrado de alumínio é mostrada na figura, sendo composta por núcleo da bateria (folhas de eletrodo positivo e negativo, separador), eletrólito, invólucro, tampa superior e outros componentes.
estrutura de bateria de lítio com revestimento quadrado de alumínio
Durante o processo de fabricação e montagem de baterias de lítio com invólucro de alumínio quadrado, um grande número desoldagem a laserSão necessários processos como: soldagem de conexões flexíveis entre células de bateria e placas de cobertura, soldagem de vedação da placa de cobertura, soldagem de pinos de vedação, etc. A soldagem a laser é o principal método de soldagem para baterias prismáticas de alta potência. Devido à sua alta densidade de energia, boa estabilidade de potência, alta precisão de soldagem, fácil integração sistêmica e muitas outras vantagens,soldagem a laserÉ insubstituível no processo de produção de baterias de lítio com invólucro de alumínio prismático. Função.
Plataforma galvanométrica automática de 4 eixos Mavenmáquina de soldagem a laser de fibra
A solda da tampa superior é a mais longa em baterias de alumínio com invólucro quadrado e também a que leva mais tempo para ser soldada. Nos últimos anos, a indústria de fabricação de baterias de lítio se desenvolveu rapidamente, assim como a tecnologia de soldagem a laser da tampa superior e seus equipamentos. Com base na velocidade de soldagem e no desempenho dos equipamentos, dividimos os equipamentos e processos de soldagem a laser da tampa superior em três eras: 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 a evolução da tecnologia ao longo do tempo:
1. A era 1.0 da tecnologia de soldagem a laser da tampa superior
Velocidade de soldagem<100 mm/s
De 2015 a 2017, a produção nacional de veículos de nova energia, impulsionada por políticas governamentais, explodiu, e a indústria de baterias de alta potência começou a se expandir. No entanto, o acúmulo de tecnologia e a reserva de talentos das empresas nacionais ainda são relativamente pequenos. Os processos de fabricação de baterias e as tecnologias de equipamentos relacionados também estão em seus estágios iniciais, e o grau de automação dos equipamentos é relativamente baixo. Os fabricantes de equipamentos só agora começaram a dar atenção à fabricação de baterias de alta potência e a aumentar o investimento em pesquisa e desenvolvimento. Nesta fase, os requisitos de eficiência de produção da indústria para equipamentos de selagem a laser de baterias quadradas geralmente são de 6 a 10 PPM (partes por milhão). A solução de equipamento geralmente utiliza um laser de fibra de 1 kW para emitir através de um feixe de laser convencional.cabeçote de soldagem a laser(como mostrado na figura), e a cabeça de soldagem é acionada por um servomotor de plataforma ou um motor linear. Movimento e soldagem, velocidade de soldagem de 50 a 100 mm/s.
Utilizando laser de 1 kW para soldar a tampa superior do núcleo da bateria.
Nosoldagem a laserNo processo, devido à velocidade de soldagem relativamente baixa e ao tempo de ciclo térmico relativamente longo da solda, a poça de fusão tem tempo suficiente para fluir e solidificar, e o gás protetor pode cobrir melhor a poça de fusão, facilitando a obtenção de uma superfície lisa e completa, com soldas de boa consistência, como mostrado abaixo.
Formação de cordão de solda para soldagem em baixa velocidade da tampa superior
Em termos de equipamentos, embora a eficiência de produção não seja alta, a estrutura dos equipamentos é relativamente simples, a estabilidade é boa e o custo é baixo, o que atende bem às necessidades de desenvolvimento da indústria nesta fase e estabelece as bases para o desenvolvimento tecnológico subsequente.
Embora a soldagem de vedação da tampa superior da era 1.0 apresente as vantagens de uma solução de equipamento simples, baixo custo e boa estabilidade, suas limitações inerentes também são bastante evidentes. Em termos de equipamento, a capacidade de acionamento do motor não atende à demanda por aumentos de velocidade adicionais; em termos de tecnologia, simplesmente aumentar a velocidade de soldagem e a potência do laser para acelerar ainda mais o processo causará instabilidade na soldagem e uma diminuição no rendimento: o aumento da velocidade reduz o tempo do ciclo térmico de soldagem, e o processo de fusão do metal se torna mais intenso, aumentando os respingos, piorando a adaptabilidade às impurezas e aumentando a probabilidade de formação de furos por respingos. Ao mesmo tempo, o tempo de solidificação da poça de fusão é reduzido, o que causa uma superfície de solda áspera e menor consistência. 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 necessário maior potência do laser para aumentar a largura da solda. Grande, mas ao mesmo tempo levará a um aumento de respingos de solda e a uma qualidade de formação superficial deficiente da solda. No nível técnico atual, acelerar ainda mais o processo 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 na China era de aproximadamente 30,8 GWh; em 2017, esse número subiu para cerca de 36 GWh; e em 2018, houve um novo crescimento exponencial, atingindo 57 GWh, um aumento de 57% em relação ao ano anterior. A produção de baterias para veículos de passageiros movidos a novas energias também chegou a quase um milhão de unidades, um aumento de 80,7% em relação ao ano anterior. Por trás desse crescimento exponencial da capacidade instalada está a expansão da capacidade de produção de baterias de lítio. As baterias para veículos de passageiros movidos a novas energias representam mais de 50% da capacidade instalada, o que significa que as exigências do setor em relação ao desempenho e à qualidade das baterias se tornarão cada vez mais rigorosas. As melhorias concomitantes na tecnologia de equipamentos e processos de fabricação também marcaram uma nova era: para atender aos requisitos de capacidade de produção em linha única, a capacidade de produção dos equipamentos de soldagem a laser da tampa superior precisa ser aumentada para 15-20 PPM.soldagem a laserA velocidade precisa atingir 150-200 mm/s. Portanto, em termos de motores de acionamento, diversos fabricantes de equipamentos aprimoraram a plataforma de motores lineares para que seu mecanismo de movimento atenda aos requisitos de desempenho para soldagem com trajetória retangular e velocidade uniforme de 200 mm/s. No entanto, garantir a qualidade da soldagem em alta velocidade exige avanços significativos nos processos, e empresas do setor têm realizado diversas pesquisas e estudos. Comparado com a era 1.0, o problema enfrentado pela soldagem de alta velocidade na era 2.0 é: o uso de lasers de fibra comuns para emitir um ponto de luz único através de cabeçotes de soldagem convencionais dificulta a seleção de um laser que atenda ao requisito de 200 mm/s.
Na solução técnica original, o efeito de formação da solda só pode ser controlado configurando opções, ajustando o tamanho do ponto e parâmetros básicos como a potência do laser: ao usar uma configuração com um ponto menor, o orifício da poça de fusão será pequeno, o formato da poça será instável e a soldagem também se tornará instável. A largura da solda de fusão também será relativamente pequena; ao usar uma configuração com um ponto de luz maior, o orifício aumentará, mas a potência de soldagem aumentará significativamente, e as taxas de respingos e porosidade também aumentarão significativamente.
Teoricamente, se você quiser garantir o efeito de formação da solda em alta velocidade...soldagem a laserPara a capa superior, você precisa atender aos seguintes requisitos:
① A junta de solda tem largura suficiente e a relação profundidade/largura da junta de solda é adequada, o que exige que o alcance 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 suficientemente longo durante o processo de soldagem para que a poça de fusão tenha fluidez suficiente e a solda se solidifique em uma solda metálica lisa sob a proteção do gás protetor;
③ A junta de solda apresenta boa consistência e poucos poros e furos. Isso requer que, durante o processo de soldagem, o laser atue de forma estável sobre a peça, e que o plasma de alta energia seja gerado continuamente e atue no interior da poça de fusão. A poça de fusão produz um "furo" sob a força de reação do plasma. Esse furo deve ser suficientemente grande e estável para que o vapor metálico e o plasma gerados não sejam facilmente ejetados, evitando a formação de gotículas de metal e respingos, e para que a poça de fusão ao redor do furo não colapse facilmente, impedindo a entrada de gases. Mesmo que objetos estranhos sejam queimados durante o processo de soldagem e gases sejam liberados explosivamente, um furo maior facilita a liberação desses gases explosivos e reduz a formação de respingos de metal e furos.
Em resposta aos pontos acima, as empresas fabricantes de baterias e de equipamentos do setor têm feito diversas tentativas e adotado várias práticas: a fabricação de baterias de lítio vem sendo 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 havia sido amplamente aplicada comercialmente, a Panasonic utilizou 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 multi-laser e estrutura da cabeça de soldagem.
O ponto de luz de alta densidade de potência gerado pelo pulsolaser YAGUm feixe de laser concentrado é utilizado para gerar furos de solda na peça, garantindo penetração suficiente. Simultaneamente, um laser semicondutor de baixa densidade (LD) fornece um pulso contínuo de laser (CW) para pré-aquecer e soldar a peça. A poça de fusão durante o processo de soldagem fornece mais energia, resultando em furos de solda maiores, aumentando a largura da junta de solda e prolongando o tempo de fechamento dos furos. Isso facilita a saída dos gases presentes na poça de fusão e reduz a porosidade da junta de solda, conforme ilustrado abaixo.
Diagrama esquemático de um híbridosoldagem a laser
Aplicando essa tecnologia,lasers YAGLasers LD com apenas algumas centenas de watts de potência podem ser usados para soldar invólucros finos de baterias de lítio a uma alta velocidade de 80 mm/s. O efeito da soldagem é mostrado na figura.
Morfologia da solda sob diferentes parâmetros de processo
Com o desenvolvimento e a ascensão dos lasers de fibra, estes têm gradualmente substituído os lasers YAG pulsados no processamento de metais a laser devido às suas inúmeras vantagens, como boa qualidade do feixe, alta eficiência de conversão fotoelétrica, longa vida útil, fácil manutenção e alta potência.
Portanto, a combinação de lasers na solução de soldagem híbrida a laser acima evoluiu para um laser de fibra + laser semicondutor LD, e o laser também é emitido coaxialmente através de uma cabeça de processamento especial (a cabeça de soldagem é mostrada 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 consideravelmente a velocidade de soldagem e proporciona melhor qualidade de soldagem (o efeito da soldagem é mostrado na Figura 8). Portanto, este plano também é o preferido por alguns clientes. Atualmente, esta solução tem sido utilizada na produção de soldagem de vedação da tampa superior da bateria de energia, podendo atingir uma velocidade de soldagem de 200 mm/s.
Aparência da solda da tampa superior obtida por soldagem a laser híbrida.
Embora a solução de soldagem a laser de comprimento de onda duplo resolva o problema da estabilidade da solda em alta velocidade e atenda aos requisitos de qualidade da solda para a soldagem em alta velocidade das tampas superiores das células da bateria, ainda existem alguns problemas com essa 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 de soldagem a laser de comprimento de onda duplo especiais, o que aumenta os custos de investimento em equipamentos, a dificuldade de manutenção e os potenciais pontos de falha.
Em segundo lugar, o comprimento de onda duplosoldagem a laserA junta utilizada é composta por múltiplos 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 duplo comprimento de onda. E, com foco em um plano focal fixo, em operação de alta velocidade a longo prazo, a posição da lente pode se soltar, causando alterações no caminho óptico e afetando a qualidade da soldagem, exigindo reajuste manual;
Em terceiro lugar, durante a soldagem, a reflexão do laser é intensa e pode danificar facilmente 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, sendo necessário ajustar os parâmetros de processamento para o reparo.
Para solucionar os problemas acima, precisamos encontrar outra forma de explorar. Em 2017-2018, estudamos a oscilação de alta frequência.soldagem a laserA tecnologia da tampa superior da bateria foi desenvolvida e aplicada na produção. A soldagem oscilante de alta frequência por feixe de laser (doravante denominada soldagem oscilante) é outro processo de soldagem de alta velocidade atualmente em uso, com 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
Dentro da cabeça de soldagem, há uma lente refletora acionada por motor, que pode ser programada para controlar o movimento do laser de acordo com a trajetória desejada (geralmente circular, em forma de S, em forma de 8, etc.), amplitude e frequência de oscilação. Diferentes parâmetros de oscilação permitem que a seção transversal da soldagem apresente diferentes formatos 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 acordo com a espessura da parede da estrutura da célula, o tipo e a amplitude da trajetória de oscilação adequados são selecionados. Durante a soldagem, o feixe de laser estático forma apenas uma seção transversal de solda em forma de V. No entanto, acionado pela cabeça de soldagem oscilante, o ponto do feixe oscila em alta velocidade no plano focal, formando um orifício de soldagem dinâmico e rotativo, o que permite obter uma relação adequada entre profundidade e largura da solda.
A rotação do orifício de soldagem agita a solda. Por um lado, isso facilita a saída dos gases e reduz os poros da solda, além de contribuir para o reparo de microfuros no ponto de ruptura da solda (ver Figura 12). Por outro lado, o metal de solda é aquecido e resfriado de maneira uniforme. Essa circulação confere à superfície da solda um padrão regular e uniforme em escamas de peixe.
Formação de costura de soldagem oscilante
Adaptabilidade das soldas à contaminação da tinta sob diferentes parâmetros de oscilação
Os pontos acima atendem aos três requisitos básicos de qualidade para soldagem de alta velocidade da tampa superior. Esta solução apresenta outras vantagens:
① Como a maior parte da potência do laser é injetada no orifício dinâmico, o laser disperso externo é reduzido, portanto, apenas uma potência de laser menor é necessária e a entrada de calor de soldagem é relativamente baixa (30% menor do que a soldagem composta), o que reduz a perda de equipamento e a perda de energia;
② O método de soldagem oscilante apresenta 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 em furos de solda, e a taxa de sucesso do uso desse método para reparar furos de solda no 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 da tampa superior
Velocidade de soldagem: 300 mm/s
Com a contínua redução dos subsídios para novas energias, quase toda a cadeia produtiva da indústria de fabricação de baterias entrou em crise. O setor também passou por um período de reestruturação, e a proporção de empresas líderes com escala e vantagens tecnológicas aumentou ainda mais. Ao mesmo tempo, porém, "melhorar a qualidade, reduzir custos e aumentar a eficiência" se tornará o tema central para muitas empresas.
Em períodos de subsídios baixos ou inexistentes, somente por meio de atualizações tecnológicas iterativas, maior eficiência de produção, redução do custo de fabricação de uma única bateria e melhoria da qualidade do produto, poderemos ter uma chance maior de vencer a competição.
A Han's Laser continua investindo em pesquisa sobre tecnologia de soldagem de alta velocidade para tampas superiores de células de bateria. Além dos diversos métodos de processo apresentados acima, a empresa também estuda tecnologias avançadas, como a soldagem a laser por pontos anulares e a soldagem a laser galvanométrica para tampas superiores de células de bateria.
Para melhorar ainda mais a eficiência da produção, a Han's Laser explorou a tecnologia de soldagem de cobertura superior em velocidades de 300 mm/s ou superiores. Entre 2017 e 2018, a Han's Laser estudou a soldagem a laser galvanométrica por varredura, superando as dificuldades técnicas relacionadas à proteção da peça contra gases durante a soldagem galvanométrica e à baixa qualidade da superfície de solda, alcançando velocidades de 400 a 500 mm/s.soldagem a laserda tampa superior da célula. A soldagem leva apenas 1 segundo para uma bateria 26148.
No entanto, devido à alta eficiência, é extremamente difícil desenvolver equipamentos de suporte que correspondam a essa eficiência, e o custo desses equipamentos é elevado. Portanto, não foi realizado nenhum desenvolvimento adicional de aplicação comercial para essa solução.
Com o desenvolvimento adicional delaser de fibraGraças à tecnologia, foram lançados novos lasers de fibra de alta potência capazes de emitir diretamente pontos de luz em formato de anel. Esse tipo de laser emite pontos de luz em formato de anel através de fibras ópticas multicamadas especiais, e o formato do ponto e a distribuição de potência podem ser ajustados, conforme ilustrado na figura.
Soldas obtidas sob diferentes trajetórias de oscilação
Por meio de ajustes, a distribuição da densidade de potência do laser pode ser transformada em um formato de ponto-rosca-chapéu. Esse tipo de laser é chamado de Corona, como mostrado na figura.
Feixe de laser ajustável (respectivamente: luz central, luz central + luz circular, luz circular, duas luzes circulares)
Em 2018, foi testada a aplicação de múltiplos lasers desse tipo na soldagem de tampas superiores de células de bateria com revestimento de alumínio e, com base no laser Corona, foi iniciada 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 opera no modo de saída ponto-anel, as características de distribuição da 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 orifício para soldagem de penetração profunda, obtendo-se assim penetração suficiente (similar à saída do laser de fibra em uma solução de soldagem híbrida). Já o anel de luz proporciona maior aporte térmico, ampliando o orifício, reduzindo o impacto do vapor metálico e do plasma sobre o metal líquido na borda do orifício, diminuindo os respingos de metal resultantes e aumentando o tempo do ciclo térmico da solda. Isso permite que o gás na poça de fusão escape por mais tempo, melhorando a estabilidade dos processos de soldagem de alta velocidade (similar à saída de lasers semicondutores em soluções de soldagem híbrida).
No teste, soldamos baterias com revestimento de paredes finas e constatamos que a consistência do tamanho da solda foi boa e a capacidade do processo CPK foi 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 de 300 mm/s)
Em termos de hardware, ao contrário da solução de soldagem híbrida, esta solução é simples e não requer dois lasers ou uma cabeça de soldagem híbrida especial. Ela requer apenas uma cabeça de soldagem a laser de alta potência comum (já que apenas uma fibra óptica emite um laser de comprimento de onda único, a estrutura da lente é simples, não requer ajustes e a perda de potência é baixa), facilitando a depuração e a manutenção, além de melhorar significativamente a estabilidade do equipamento.
Além da simplicidade do sistema de hardware e do atendimento aos requisitos do processo de soldagem de alta velocidade da tampa superior da célula da bateria, essa solução apresenta outras vantagens em aplicações de processo.
No teste, soldamos a tampa superior da bateria a uma alta velocidade de 300 mm/s e ainda assim obtivemos bons resultados na formação da junta de solda. Além disso, para revestimentos com diferentes espessuras de parede de 0,4, 0,6 e 0,8 mm, basta ajustar o modo de saída do laser para realizar uma soldagem de qualidade. No entanto, para soluções de soldagem híbrida a laser de comprimento de onda duplo, é necessário alterar a configuração óptica da cabeça de soldagem ou do laser, o que acarreta maiores custos de equipamento e tempo de configuração.
Portanto, o ponto anel-pontosoldagem a laserA solução não só permite a soldagem da tampa superior em altíssima velocidade (300 mm/s) e melhora a eficiência da produção de baterias de alta potência, como também, para empresas fabricantes de baterias que necessitam de mudanças frequentes de modelo, pode melhorar significativamente a compatibilidade de equipamentos e produtos, reduzindo o tempo de troca de modelo e de depuração.
Aparência da soldagem da tampa superior da bateria com espessura de parede de 0,4 mm (velocidade de soldagem de 300 mm/s)
Aparência da soldagem da tampa superior da bateria com espessura de parede de 0,6 mm (velocidade de soldagem de 300 mm/s)
Penetração da 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 possuem características ópticas de saída semelhantes e podem ser usados para solucionar problemas como a redução de respingos na soldagem a laser, a melhoria da qualidade da superfície da solda e o aumento da 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, tanto nacionais quanto estrangeiras. Devido aos diferentes tempos de produção e às diferentes bases técnicas, diferentes soluções de processo são amplamente utilizadas na indústria, mas as empresas têm exigências cada vez maiores em relação à eficiência e à qualidade. Há um processo de aprimoramento constante, e novas tecnologias serão em breve aplicadas por empresas na vanguarda da tecnologia.
A indústria de baterias para novas energias da China começou relativamente tarde e se desenvolveu rapidamente, impulsionada por políticas nacionais. As tecnologias relacionadas continuaram a avançar com os esforços conjuntos de toda a cadeia produtiva, reduzindo significativamente a distância para empresas internacionais de destaque. Como fabricante nacional de equipamentos para baterias de lítio, a Maven também explora constantemente suas próprias áreas de vantagem competitiva, auxiliando na modernização contínua de equipamentos para baterias e fornecendo soluções aprimoradas para a produção automatizada de módulos de baterias para armazenamento de energia de novas energias.
Data da publicação: 19/09/2023
