Firkantede litiumbatterier med aluminiumsskall har mange fordeler, som enkel struktur, god slagfasthet, høy energitetthet og stor cellekapasitet. De har alltid vært hovedretningen for innenlandsk produksjon og utvikling av litiumbatterier, og står for mer enn 40 % av markedet.
Strukturen til det firkantede litiumbatteriet med aluminiumsskall er som vist på figuren, som består av batterikjerne (positive og negative elektrodeark, separator), elektrolytt, skall, toppdeksel og andre komponenter.
Firkantet aluminiumsskallstruktur for litiumbatteri
Under produksjons- og monteringsprosessen av litiumbatterier med firkantet aluminiumsskall, et stort antalllasersveisingprosesser kreves, for eksempel: sveising av myke forbindelser mellom battericeller og dekselplater, sveising av forsegling av dekselplater, sveising av forsegling av spiker, osv. Lasersveising er den viktigste sveisemetoden for prismatiske kraftbatterier. På grunn av høy energitetthet, god effektstabilitet, høy sveisepresisjon, enkel systematisk integrasjon og mange andre fordeler,lasersveisinger uerstattelig i produksjonsprosessen av prismatiske litiumbatterier med aluminiumsskall. rolle.
Maven 4-akset automatisk galvanometerplattformfiberlasersveisemaskin
Sveisesømmen på toppdekselforseglingen er den lengste sveisesømmen i det firkantede aluminiumsbatteriet, og det er også sveisesømmen som tar lengst tid å sveise. Litiumbatteriproduksjonsindustrien har utviklet seg raskt de siste årene, og lasersveiseprosessteknologien for toppdekselforsegling og utstyrsteknologien har også utviklet seg raskt. Basert på utstyrets forskjellige sveisehastigheter og ytelse, deler vi grovt sett lasersveiseutstyr og -prosesser for toppdeksel inn i tre epoker. De er 1.0-æraen (2015-2017) med sveisehastighet <100 mm/s, 2.0-æraen (2017-2018) med 100-200 mm/s, og 3.0-æraen (2019-) med 200-300 mm/s. Følgende vil introdusere teknologiutviklingen langs tidens gang:
1. 1.0-æraen med toppdeksellasersveiseteknologi
Sveisehastighet100 mm/s
Fra 2015 til 2017 begynte innenlandske nye energikjøretøyer å eksplodere drevet av politikk, og batteriindustrien begynte å ekspandere. Teknologiakkumuleringen og talentreservene til innenlandske bedrifter er imidlertid fortsatt relativt små. Relaterte batteriproduksjonsprosesser og utstyrsteknologier er også i sin spede begynnelse, og graden av utstyrsautomatisering er relativt lav, og utstyrsprodusenter har så vidt begynt å fokusere på produksjon av batterier og øke investeringene i forskning og utvikling. På dette stadiet er industriens produksjonseffektivitetskrav for firkantet batterilaserforseglingsutstyr vanligvis 6-10 PPM. Utstyrsløsningen bruker vanligvis en 1 kW fiberlaser til å sende ut gjennom en vanliglasersveisehode(som vist på bildet), og sveisehodet drives av en servoplattformmotor eller en lineærmotor. Bevegelse og sveising, sveisehastighet 50–100 mm/s.
Bruk av 1kw laser for å sveise batterikjernens toppdeksel
Ilasersveisingprosessen, på grunn av den relativt lave sveisehastigheten og den relativt lange termiske syklustiden for sveisen, har smeltebadet nok tid til å flyte og størkne, og beskyttelsesgassen kan bedre dekke smeltebadet, noe som gjør det enkelt å oppnå en glatt og full overflate, sveiser med god konsistens, som vist nedenfor.
Sveisesømforming for lavhastighetssveising av toppdeksel
Når det gjelder utstyr, selv om produksjonseffektiviteten ikke er høy, er utstyrsstrukturen relativt enkel, stabiliteten er god og utstyrskostnadene er lave, noe som godt oppfyller behovene til industriutvikling på dette stadiet og legger grunnlaget for senere teknologisk utvikling.
Selv om toppdekselforseglingssveising 1.0-æraen har fordelene med enkel utstyrsløsning, lav kostnad og god stabilitet, er dens iboende begrensninger også svært åpenbare. Når det gjelder utstyr, kan ikke motorens drivkapasitet dekke behovet for ytterligere hastighetsøkning. Når det gjelder teknologi, vil det å bare øke sveisehastigheten og lasereffekten for å øke hastigheten ytterligere føre til ustabilitet i sveiseprosessen og en reduksjon i utbyttet. Hastighetsøkning forkorter sveisesyklustiden, og metallet smelter mer intenst, sprut øker, tilpasningsevnen til urenheter blir dårligere, og det er mer sannsynlig at det dannes spruthull. Samtidig forkortes størkningstiden til smeltebadet, noe som vil føre til at sveiseoverflaten blir ru og konsistensen reduseres. Når laserpunktet er lite, er varmetilførselen ikke stor, og spruten kan reduseres, men forholdet mellom dybde og bredde på sveisen er stort, og sveisebredden er ikke nok. Når laserpunktet er stort, må det tilføres større lasereffekt for å øke sveisebredden. Stor, men samtidig vil det føre til økt sveisesprut og dårlig overflateformingskvalitet på sveisen. Under det tekniske nivået på dette stadiet betyr ytterligere hastighetsøkning at utbytte må byttes mot effektivitet, og oppgraderingskravene for utstyr og prosessteknologi har blitt industrikrav.
2. Toppdekselets 2.0-æralasersveisingteknologi
Sveisehastighet 200 mm/s
I 2016 var Kinas installerte kapasitet for bilbatterier omtrent 30,8 GWh, i 2017 var den omtrent 36 GWh, og i 2018, som innledet en ytterligere eksplosjon, nådde den installerte kapasiteten 57 GWh, en økning på 57 % fra året før. Nye personbiler produserte også nesten én million, en økning på 80,7 % fra året før. Bak eksplosjonen i installert kapasitet ligger frigjøringen av produksjonskapasitet for litiumbatterier. Nye personbilbatterier står for mer enn 50 % av den installerte kapasiteten, noe som også betyr at bransjens krav til batteriytelse og -kvalitet vil bli stadig strengere, og de medfølgende forbedringene i produksjonsutstyrsteknologi og prosessteknologi har også gått inn i en ny æra: for å møte kravene til produksjonskapasitet på én linje, må produksjonskapasiteten til toppdeksellasersveiseutstyr økes til 15–20 PPM, og denslasersveisingHastigheten må nå 150–200 mm/s. Når det gjelder drivmotorer, har derfor diverse utstyrsprodusenter oppgradert den lineære motorplattformen slik at bevegelsesmekanismen oppfyller kravene til bevegelsesytelse for sveising med jevn hastighet på 200 mm/s med rektangulær bane. Hvordan sikre sveisekvalitet under høyhastighetssveising krever imidlertid ytterligere prosessgjennombrudd, og selskaper i bransjen har gjennomført mange undersøkelser og studier: Sammenlignet med 1.0-æraen er problemet med høyhastighetssveising i 2.0-æraen: Ved å bruke vanlige fiberlasere til å sende ut en enkeltpunkts lyskilde gjennom vanlige sveisehoder, er det vanskelig å oppfylle kravet på 200 mm/s.
I den opprinnelige tekniske løsningen kan sveiseformingseffekten bare kontrolleres ved å konfigurere alternativer, justere punktstørrelsen og justere grunnleggende parametere som lasereffekt: når du bruker en konfigurasjon med et mindre punkt, vil nøkkelhullet i sveisebadet være lite, badformen vil være ustabil, og sveisingen vil bli ustabil. Fugebredden er også relativt liten; når du bruker en konfigurasjon med et større lyspunkt, vil nøkkelhullet øke, men sveiseeffekten vil økes betydelig, og sprut- og sprenghullhastighetene vil økes betydelig.
Teoretisk sett, hvis du vil sikre sveiseeffekten av høyhastighetslasersveisingfor toppdekselet, må du oppfylle følgende krav:
① Sveisesømmen har tilstrekkelig bredde og forholdet mellom sveisesømmens dybde og bredde er passende, noe som krever at lyskildens varmevirkningsområde er stort nok og sveiselinjeenergien er innenfor et rimelig område;
② Sveisen er glatt, noe som krever at den termiske syklustiden til sveisen er lang nok under sveiseprosessen slik at smeltebadet har tilstrekkelig flyt, og sveisen størkner til en glatt metallsveis under beskyttelse av beskyttelsesgassen;
③ Sveisesømmen har god konsistens og få porer og hull. Dette krever at laseren virker stabilt på arbeidsstykket under sveiseprosessen, og at høyenergistråleplasmaet kontinuerlig genereres og virker på innsiden av smeltebadet. Smeltebadet produserer et "nøkkelhull" under plasmareaksjonskraften. Nøkkelhullet er stort nok og stabilt nok, slik at den genererte metalldampen og plasmaet ikke lett kastes ut og får ut metalldråper, noe som danner sprut, og smeltebadet rundt nøkkelhullet ikke lett kollapser og involverer gass. Selv om fremmedlegemer brenner under sveiseprosessen og gasser frigjøres eksplosivt, er et større nøkkelhull mer gunstig for frigjøring av eksplosive gasser og reduserer metallsprut og hulldannelse.
Som svar på punktene ovenfor har batteriprodusenter og utstyrsprodusenter i bransjen gjort ulike forsøk og fremgangsmåter: Produksjon av litiumbatterier har blitt utviklet i Japan i flere tiår, og relaterte produksjonsteknologier har tatt ledelsen.
I 2004, da fiberlaserteknologi ennå ikke hadde blitt bredt kommersielt anvendt, brukte Panasonic LD-halvlederlasere og pulslampepumpede YAG-lasere for blandet utgang (skjemaet er vist i figuren nedenfor).
Skjema for hybridsveiseteknologi med flere lasere og sveisehodestruktur
Lysflekken med høy effekttetthet generert av den pulserendeYAG-lasermed et lite punkt brukes til å virke på arbeidsstykket for å generere sveisehull for å oppnå tilstrekkelig sveiseinntrengning. Samtidig brukes LD-halvlederlaseren til å gi en kontinuerlig CW-laser for å forvarme og sveise arbeidsstykket. Smeltebadet under sveiseprosessen gir mer energi for å oppnå større sveisehull, øke bredden på sveisesømmen og forlenge lukketiden for sveisehullene, noe som hjelper gassen i smeltebadet med å slippe ut og redusere porøsiteten til sveisesømmen, som vist nedenfor.
Skjematisk diagram av hybridlasersveising
Ved å bruke denne teknologien,YAG-lasereog LD-lasere med bare noen få hundre watt effekt kan brukes til å sveise tynne litiumbatterihus med en høy hastighet på 80 mm/s. Sveiseeffekten er som vist på figuren.
Sveisemorfologi under forskjellige prosessparametere
Med utviklingen og fremveksten av fiberlasere har fiberlasere gradvis erstattet pulserte YAG-lasere i lasermetallbearbeiding på grunn av deres mange fordeler som god strålekvalitet, høy fotoelektrisk konverteringseffektivitet, lang levetid, enkelt vedlikehold og høy effekt.
Derfor har laserkombinasjonen i den ovennevnte laserhybridsveiseløsningen utviklet seg til en fiberlaser + LD-halvlederlaser, og laseren sendes også koaksialt ut gjennom et spesielt prosesseringshode (sveisehodet er vist i figur 7). Under sveiseprosessen er laserens virkningsmekanisme den samme.
Kompositt lasersveiseføyning
I denne planen, den pulserendeYAG-lasererstattes av en fiberlaser med bedre strålekvalitet, større effekt og kontinuerlig utgang, noe som øker sveisehastigheten betraktelig og gir bedre sveisekvalitet (sveiseeffekten er vist i figur 8). Denne planen er derfor også foretrukket av noen kunder. For tiden har denne løsningen blitt brukt i produksjon av sveiset forsegling av toppdeksel på batterier, og kan nå en sveisehastighet på 200 mm/s.
Utseende på toppdekselsveis ved hybrid lasersveising
Selv om løsningen for lasersveising med dobbel bølgelengde løser sveisestabiliteten ved høyhastighetssveising og oppfyller sveisekvalitetskravene for høyhastighetssveising av battericelletoppdeksler, er det fortsatt noen problemer med denne løsningen fra et utstyrs- og prosessperspektiv.
Først og fremst er maskinvarekomponentene i denne løsningen relativt komplekse, og krever bruk av to forskjellige typer lasere og spesielle lasersveiseforbindelser med to bølgelengder, noe som øker investeringskostnadene for utstyr, øker vanskeligheten med vedlikehold av utstyr og øker potensielle feilpunkter for utstyr;
For det andre, den doble bølgelengdenlasersveisingSkjøten som brukes består av flere sett med linser (se figur 4). Effekttapet er større enn for vanlige sveiseskjøter, og linseposisjonen må justeres til riktig posisjon for å sikre koaksial utgang fra laseren med dobbel bølgelengde. Ved fokusering på et fast fokusplan og langvarig høyhastighetsdrift kan linseposisjonen bli løs, noe som forårsaker endringer i den optiske banen og påvirker sveisekvaliteten, noe som krever manuell justering.
For det tredje er laserrefleksjonen kraftig under sveising og kan lett skade utstyr og komponenter. Spesielt ved reparasjon av defekte produkter reflekterer den glatte sveiseoverflaten en stor mengde laserlys, noe som lett kan forårsake en laseralarm, og prosesseringsparametrene må justeres for reparasjon.
For å løse problemene ovenfor må vi finne en annen måte å utforske på. I 2017–2018 studerte vi høyfrekvente svingningerlasersveisingteknologien til batteridekselet og promoterte det til produksjonsapplikasjon. Laserstrålehøyfrekvent svingsveising (heretter referert til som svingsveising) er en annen aktuell høyhastighetssveiseprosess på 200 mm/s.
Sammenlignet med hybridlasersveiseløsningen krever maskinvaredelen av denne løsningen bare en vanlig fiberlaser koblet med et oscillerende lasersveisehode.
slingrende slingrende sveisehode
Det er en motordrevet reflekterende linse inne i sveisehodet, som kan programmeres til å kontrollere laseren til å svinge i henhold til den designede banetypen (vanligvis sirkulær, S-formet, 8-formet osv.), svingamplitude og frekvens. Ulike svingparametere kan endre sveisetverrsnittet. Kommer i forskjellige former og størrelser.
Sveisesveiser oppnådd under forskjellige svingbaner
Høyfrekvente svinghode drives av en lineær motor for å sveise langs gapet mellom arbeidsstykkene. I henhold til veggtykkelsen på celleskallet velges passende svingbanetype og amplitude. Under sveising vil den statiske laserstrålen kun danne et V-formet sveisetverrsnitt. Drevet av svinghodet svinger imidlertid strålens punktpunkt med høy hastighet på fokusplanet og danner et dynamisk og roterende sveisehull, som kan oppnå et passende forhold mellom sveisedybde og -bredde;
Det roterende sveisekikkhullet rører i sveisen. På den ene siden hjelper det gassen med å slippe ut og reduserer sveiseporene, og har en viss effekt på å reparere nålehullene i sveiseeksplosjonspunktet (se figur 12). På den andre siden varmes og kjøles sveisemetallet opp på en ordnet måte. Sirkulasjonen gjør at overflaten av sveisen fremstår som et regelmessig og ordnet fiskeskjellmønster.
Svingsveisesømforming
Tilpasningsevne av sveiser til malingsforurensning under forskjellige svingparametere
Punktene ovenfor oppfyller de tre grunnleggende kvalitetskravene for høyhastighetssveising av toppdekselet. Denne løsningen har andre fordeler:
① Siden mesteparten av lasereffekten injiseres i det dynamiske nøkkelhullet, reduseres den eksterne spredte laseren, slik at bare en mindre lasereffekt er nødvendig, og sveisevarmetilførselen er relativt lav (30 % mindre enn komposittsveising), noe som reduserer utstyrstap og energitap;
② Svingsveisemetoden har høy tilpasningsevne til monteringskvaliteten til arbeidsstykker og reduserer defekter forårsaket av problemer som monteringstrinn;
③Svingsveisemetoden har en sterk reparasjonseffekt på sveisehull, og utbyttet ved å bruke denne metoden til å reparere sveisehull i batterikjernen er ekstremt høyt;
④Systemet er enkelt, og feilsøking og vedlikehold av utstyret er enkelt.
3. 3.0-æraen med toppdeksellasersveiseteknologi
Sveisehastighet 300 mm/s
Etter hvert som nye energisubsidier fortsetter å synke, har nesten hele industrikjeden i batteriproduksjonsindustrien falt i et rødt hav. Industrien har også gått inn i en omstokkingsperiode, og andelen ledende selskaper med stordriftsfordeler og teknologiske fordeler har økt ytterligere. Men samtidig vil «forbedring av kvalitet, reduksjon av kostnader og økning av effektiviteten» bli hovedtemaet for mange selskaper.
I en periode med lave eller ingen subsidier, er det bare ved å oppnå iterative oppgraderinger av teknologi, oppnå høyere produksjonseffektivitet, redusere produksjonskostnadene for et enkelt batteri og forbedre produktkvaliteten at vi kan ha en ekstra sjanse til å vinne i konkurransen.
Han's Laser fortsetter å investere i forskning på høyhastighets sveiseteknologi for battericelletoppdeksler. I tillegg til de mange prosessmetodene som er introdusert ovenfor, studerer de også avanserte teknologier som ringformet punktlasersveiseteknologi og galvanometerlasersveiseteknologi for battericelletoppdeksler.
For å forbedre produksjonseffektiviteten ytterligere, utforske toppdekselsveiseteknologi med 300 mm/s og høyere hastighet. Han's Laser studerte skanningsgalvanometerlasersveisingstetning i 2017–2018, og brøt gjennom de tekniske vanskelighetene med vanskelig gassbeskyttelse av arbeidsstykket under galvanometersveising og dårlig sveiseoverflateformingseffekt, og oppnådde 400–500 mm/s.lasersveisingav celledekselet. Sveising tar bare 1 sekund for et 26148-batteri.
På grunn av den høye effektiviteten er det imidlertid ekstremt vanskelig å utvikle støtteutstyr som matcher effektiviteten, og utstyrskostnadene er høye. Derfor ble det ikke utført ytterligere kommersiell applikasjonsutvikling for denne løsningen.
Med den videre utviklingen avfiberlaserteknologi, nye høyeffektsfiberlasere som kan sende ut ringformede lyspunkter direkte har blitt lansert. Denne typen laser kan sende ut punkt-ringlaserpunkter gjennom spesielle flerlagsoptiske fibre, og punktformen og effektfordelingen kan justeres, som vist på figuren.
Sveisesveiser oppnådd under forskjellige svingbaner
Ved justering kan laserens effekttetthetsfordeling lages til en spot-donut-topphat-form. Denne typen laser kalles Corona, som vist på figuren.
Justerbar laserstråle (henholdsvis: senterlys, senterlys + ringlys, ringlys, to ringlys)
I 2018 ble bruken av flere lasere av denne typen i sveising av aluminiumsdeksel på battericeller testet, og basert på Corona-laseren ble det lansert forskning på 3.0-prosessteknologiløsningen for lasersveising av batterideksel. Når Corona-laseren utfører punktringmodusutgang, er effekttetthetsfordelingsegenskapene til utgangsstrålen lik den sammensatte utgangen til en halvleder- + fiberlaser.
Under sveiseprosessen danner midtpunktslyset med høy effekttetthet et nøkkelhull for dyp penetrasjonssveising for å oppnå tilstrekkelig sveisepenetrasjon (ligner på effekten fra fiberlaseren i hybridsveiseløsningen), og ringlyset gir større varmetilførsel, forstørrer nøkkelhullet, reduserer påvirkningen av metalldamp og plasma på det flytende metallet ved kanten av nøkkelhullet, reduserer det resulterende metallsprutet og øker den termiske syklustiden til sveisen, noe som hjelper gassen i smeltebadet å slippe ut over lengre tid og forbedrer stabiliteten til høyhastighetssveiseprosesser (ligner på effekten fra halvlederlasere i hybridsveiseløsninger).
I testen sveiset vi tynnveggede batterier og fant at sveisestørrelseskonsistensen var god og prosesskapasiteten CPK var god, som vist i figur 18.
Utseende på sveising av batterideksel med veggtykkelse 0,8 mm (sveisehastighet 300 mm/s)
Når det gjelder maskinvare, i motsetning til hybridsveiseløsningen, er denne løsningen enkel og krever ikke to lasere eller et spesielt hybridsveisehode. Den krever bare et vanlig høyeffektslasersveisehode (siden bare én optisk fiber sender ut en laser med én bølgelengde, er linsestrukturen enkel, ingen justering er nødvendig, og effekttapet er lavt), noe som gjør det enkelt å feilsøke og vedlikeholde, og stabiliteten til utstyret forbedres betraktelig.
I tillegg til det enkle systemet til maskinvareløsningen og å oppfylle kravene til høyhastighetssveiseprosessen for battericelletoppdekselet, har denne løsningen andre fordeler i prosessapplikasjoner.
I testen sveiset vi batteridekselet med en høy hastighet på 300 mm/s, og oppnådde fortsatt gode sveisesømmer. Dessuten, for skall med forskjellige veggtykkelser på 0,4, 0,6 og 0,8 mm, kan god sveising bare utføres ved å justere laserutgangsmodusen. For hybridsveiseløsninger med to bølgelengder er det imidlertid nødvendig å endre den optiske konfigurasjonen til sveisehodet eller laseren, noe som vil føre til større utstyrskostnader og feilsøkingskostnader.
Derfor punktringen-punktetlasersveisingLøsningen kan ikke bare oppnå ultrahøyhastighets sveising av toppdekselet på 300 mm/s og forbedre produksjonseffektiviteten til kraftbatterier. For batteriprodusenter som trenger hyppige modellbytter, kan denne løsningen også forbedre kvaliteten på utstyr og produktkompatibilitet betraktelig, og forkorte modellendrings- og feilsøkingstiden.
Utseende på sveising av batterideksel med veggtykkelse 0,4 mm (sveisehastighet 300 mm/s)
Utseende på sveising av batterideksel med veggtykkelse 0,6 mm (sveisehastighet 300 mm/s)
Corona-lasersveispenetrasjon for tynnveggscellesveising – prosessegenskaper
I tillegg til Corona-laseren nevnt ovenfor, har AMB-lasere og ARM-lasere lignende optiske utgangsegenskaper og kan brukes til å løse problemer som å forbedre lasersveisesprut, forbedre sveiseoverflatekvaliteten og forbedre sveisestabiliteten ved høy hastighet.
4. Sammendrag
De ulike løsningene nevnt ovenfor brukes alle i faktisk produksjon av innenlandske og utenlandske litiumbatteriprodusenter. På grunn av ulik produksjonstid og ulik teknisk bakgrunn er ulike prosessløsninger mye brukt i industrien, men selskapene har høyere krav til effektivitet og kvalitet. Det forbedres stadig, og flere nye teknologier vil snart bli tatt i bruk av selskaper i teknologiens forkant.
Kinas nye energibatteriindustri startet relativt sent og har utviklet seg raskt drevet av nasjonal politikk. Relaterte teknologier har fortsatt å utvikle seg med felles innsats fra hele industrikjeden, og har betydelig redusert gapet til fremragende internasjonale selskaper. Som en innenlandsk produsent av litiumbatteriutstyr utforsker Maven også kontinuerlig sine egne fordelsområder, bidrar til iterative oppgraderinger av batteripakkeutstyr og tilbyr bedre løsninger for automatisert produksjon av nye energilagringsbatterimodulpakker.
Publisert: 19. september 2023
