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激光焊接技术在动力电池上的应用

最近动力电池真的火了!原材料价格“疯狂上涨”,产业链头部企业增产,资本市场多只概念股涨停。


1、动力电池是什么?

全球电动汽车行业将为电动汽车提供动力的电池称为动力电池,将现有的铅酸电池、镍氢电池和新的锂离子电池分为动力型动力电池(混合动力汽车)和能源型动力电池(纯电动汽车)。

众所周知,动力电池是新能源汽车的“心脏”。动力锂电池主要是三元材料电池和磷酸铁锂电池,下游是新能源汽车的安装应用,放电功率比普通电池更高。

作为新能源汽车的辅助产业,近年来在新能源汽车产业的带动下,动力电池行业也迎来了爆炸性增长。

资料来源:中国工业研究所


2、动力电池与激光焊接的关系

动力电池占新能源汽车整车成本的30% ~ 40%,是新能源汽车成本的最大部分,对新能源汽车的寿命里程、车辆寿命、安全等核心指标有着非常重要的影响,因此,提高动力电池性能是提高新能源汽车整体性能的关键。

动力锂电池产业链示意图


在动力电池生产过程中,从种植地制造到包装组装,焊接是一个非常重要的制造过程。特别是,动力电池结构包含各种材料,如钢、铝、铜、镍等,这些金属可以由电极、电线或外壳制成。因此,无论是一种材料之间还是多种材料之间的焊接,对焊接工艺的要求都越来越高。

激光焊接利用激光束优异的方向性和高功率密度等特性工作,通过光学系统将激光束集中在小区域,在极短时间内焊接的地方形成能量高度集中的热源区域,融化焊接物,形成坚硬的钎焊和焊接。

在动力电池整个产业链上,激光焊接主要用于动力锂电池中游生产。以非常灵活、准确、高效的精密焊接方法,可以满足动力电池生产过程的性能要求,是动力电池制造过程中的首选,现已成为动力电池生产线的标准设备。


3、动力电池通用焊接应用

电源电池分为方形、圆柱形和柔性包装电池。目前,动力电池生产中激光焊接的使用过程主要是:

中途工艺:极耳焊接(包括预焊)、极台点焊、芯进入壳的预焊、外壳盖密封焊接、注入口密封焊接等。

背面工艺:包括电池组模块的接头焊接、模块后面盖子上的防爆阀门焊接等。


1、电池防爆阀焊接

防爆阀是电池密封板的薄壁阀,当电池内部压力超过指定值时,防爆阀体会先破裂,使其灰心丧气,释放压力,防止电池破裂。防爆阀门结构巧妙,使用激光将两个形状固定的铝金属板材焊接在一起。电池内部压力提高到一定值时,铝片在设计的凹槽位置破裂,防止电池进一步膨胀爆炸。因此,该工艺对激光焊接工艺要求非常严格,要求焊接密封,严格控制热输入量,确保焊接的破坏压力值稳定在一定范围(一般为0.4~0.7MPa)内,如果太大或太小,会对电池的安全性产生很大影响。

因此,防爆阀通常使用接合焊接。实践证明,使用国玉激光复合焊接激光可以实现高速、高质量的焊接,保证焊接稳定性、焊接效率和收率。

2、极柱焊接

电池盖的磁极分为电池内部和外部连接。电池内部连接是电芯极耳和盖极柱的焊接。电池外部连接是通过切片焊接形成电池模块的串行、并行电路的电池磁极。

电池的两极是电池的两极,一般两极用铝,阴极用铜。常用的结构是铆钉结构,铆钉压力完成后全部焊接,通常是大小为直径8的圆。焊接时,对于符合设计要求的张力和导电性,优先选择光束质量、能量分布均匀的光纤激光器或复合焊接激光器。光纤激光器,复合焊接激光焊接可以实现的电极柱的铝铝-铝结构焊接,铜-铜结构焊接稳定性,减少飞溅,提高焊接收率。


3、转接片焊接

适配器片和软连接是将电池盖连接到电池的核心部件。电池的过流、强度和低飞溅要求都要考虑在内,因此在与盖子的焊接过程中要有足够的焊接宽度,防止电池短路,防止粒子掉在电池上。阴极材料铜是低吸收率的高半材料,焊接时需要更高的能量密度, 国玉激光最新蓝光复合激光器可以很好地解决高半和飞溅等传统工艺难题。


4、壳体封口焊接

动力电池的外壳材料是铝合金和不锈钢,铝合金最多,纯铝也少。不锈钢是激光焊接性最好的材料,特别是304不锈钢,无论是脉冲还是连续激光,都能得到外观和性能都很好的焊接。

使用连续激光焊接薄锂电池,效率可以提高5~10倍,外观和密封性都很好。现在,为了追求更快的焊接速度和更均匀的外观,大多数公司开始使用复合焊接和环形光斑,而不是以前低速的单一光纤焊接。目前,大部分量产线焊接速度达到200mm/s,部分制造商的光纤焊接低速线为了确保焊道的稳定性,一般量产速度为70mm/s。

5、密封钉(电解液注入口)焊接

密封钉(液孔帽)的形式也很多,通常是直径为8毫米、厚度约为0.9毫米的圆形帽。焊接的基本要求是耐压值达到1.1MPa,密封,不能有针孔、裂纹、爆炸点。

作为芯焊的最后一道工序,密封钉焊的收率尤为重要。密封钉焊接时残留电解质的存在会导致爆点、针孔等缺陷,抑制这些缺陷的重要方法是减少热输入量。经过长期试验及市场广泛验证,使用 国玉激光自行开发的激光器可以大大提高稳定性和兼容性,大大提高收率,目前国玉激光密封钉焊接的收率可达99.5%。


6、动力电池电池模块和电池包焊接

电池模块是锂离子电池的串行并行组合,可以理解为添加单个电池监控和管理设备。电池模块的结构设计经常决定电池组的性能和安全性。其结构必须对电芯起支撑、固定和保护作用。它还将成为判断电池模块优劣的标准,包括过流要求、电流均匀性、核心温度控制、出现严重异常时断电、避免连锁反应等。

铜和铝之间使用激光后容易形成脆的化合物,不能满足使用要求,一般除超声波焊接外,铜和铜、铝、铝一般使用激光焊接。同时,铜和铝传热快,激光反射率极高,连接器厚度相对较大,因此焊接需要更高功率的激光。

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