Litiumbatterier med fyrkantigt aluminiumskal har många fördelar, såsom enkel struktur, god slagtålighet, hög energitäthet och stor cellkapacitet. De har alltid varit den huvudsakliga inriktningen för tillverkning och utveckling av litiumbatterier i hemlandet och står för mer än 40 % av marknaden.
Strukturen hos det fyrkantiga aluminiumskallitiumbatteriet är som visas i figuren, vilket består av batterikärna (positiva och negativa elektrodskikt, separator), elektrolyt, skal, topplock och andra komponenter.
Fyrkantig aluminiumskalstruktur för litiumbatteri
Under tillverknings- och monteringsprocessen av litiumbatterier med fyrkantigt aluminiumskal, ett stort antallasersvetsningprocesser krävs, såsom: svetsning av mjuka anslutningar mellan battericeller och täckplattor, tätningssvetsning av täckplattor, tätningssvetsning av spikar etc. Lasersvetsning är den huvudsakliga svetsmetoden för prismatiska kraftbatterier. Tack vare dess höga energitäthet, goda effektstabilitet, höga svetsprecision, enkla systematiska integration och många andra fördelar,lasersvetsningär oersättlig i produktionsprocessen för prismatiska litiumbatterier med aluminiumhölje. roll.
Maven 4-axlig automatisk galvanometerplattformfiberlasersvetsmaskin
Svetsfogen på topplockstätningen är den längsta svetsfogen i fyrkantiga aluminiumbatterier, och det är också den svetsfog som tar längst tid att svetsa. Litiumbatteritillverkningsindustrin har utvecklats snabbt under senare år, och lasersvetsningstekniken för topplockstätning och dess utrustningsteknik har också utvecklats snabbt. Baserat på utrustningens olika svetshastigheter och prestanda delar vi grovt in lasersvetsningsutrustningen och processerna för topplock i tre epoker. De är 1.0-eran (2015-2017) med svetshastighet <100 mm/s, 2.0-eran (2017-2018) med 100-200 mm/s och 3.0-eran (2019-) med 200-300 mm/s. Följande kommer att introducera teknikutvecklingen längs tidens gång:
1. 1.0-eran av lasersvetsteknik för topplock
Svetshastighet＜100 mm/s
Från 2015 till 2017 började inhemska nya energifordon explodera, drivna av politik, och batteriindustrin började expandera. Teknikackumuleringen och talangreserverna hos inhemska företag är dock fortfarande relativt små. Relaterade batteritillverkningsprocesser och utrustningstekniker är också i sin linda, och graden av automatisering av utrustningen är relativt låg, utrustningstillverkare har precis börjat uppmärksamma tillverkning av batterier och öka investeringarna i forskning och utveckling. I detta skede är branschens produktionseffektivitetskrav för fyrkantig batterilaserförseglingsutrustning vanligtvis 6-10 PPM. Utrustningslösningen använder vanligtvis en 1 kW fiberlaser för att avge genom en vanliglasersvetshuvud(som visas på bilden), och svetshuvudet drivs av en servoplattformsmotor eller en linjärmotor. Rörelse och svetsning, svetshastighet 50-100 mm/s.
Använda 1kw laser för att svetsa batterikärnans topplock
IlasersvetsningProcessen, på grund av den relativt låga svetshastigheten och den relativt långa termiska cykeltiden för svetsen, har smältan tillräckligt med tid att flyta och stelna, och skyddsgasen kan bättre täcka smältan, vilket gör det enkelt att få en jämn och fyllig yta, svetsar med god konsistens, som visas nedan.
Svetsfogformning för låghastighetssvetsning av topplock
När det gäller utrustning, även om produktionseffektiviteten inte är hög, är utrustningsstrukturen relativt enkel, stabiliteten är god och utrustningskostnaden är låg, vilket väl uppfyller behoven för industriutveckling i detta skede och lägger grunden för efterföljande teknisk utveckling.
Även om topplockstätningssvetsning 1.0-eran har fördelarna med enkel utrustningslösning, låg kostnad och god stabilitet, är dess inneboende begränsningar också mycket uppenbara. När det gäller utrustning kan motorns drivkapacitet inte möta behovet av ytterligare hastighetsökning. Tekniskt sett kommer enbart en ökning av svetshastigheten och lasereffekten för att öka hastigheten ytterligare att orsaka instabilitet i svetsprocessen och en minskning av utbytet. Hastighetsökning förkortar svetsningens termiska cykeltid, och metallens smältprocess blir mer intensiv, stänket ökar, anpassningsförmågan till föroreningar blir sämre och stänkhål är mer benägna att bildas. Samtidigt förkortas stelningstiden för smältan, vilket gör att svetsytan blir grov och konsistensen minskar. När laserpunkten är liten är värmeinmatningen inte stor och stänket kan minskas, men förhållandet mellan djup och bredd för svetsen är stort och svetsbredden är inte tillräcklig. När laserpunkten är stor måste större lasereffekt matas in för att öka svetsbredden. Stor, men samtidigt kommer det att leda till ökat svetssprut och dålig ytformningskvalitet på svetsen. Under den tekniska nivån i detta skede innebär ytterligare hastighetsökning att utbyte måste bytas mot effektivitet, och uppgraderingskraven för utrustning och processteknik har blivit industrikrav.
2. 2.0-eran av toppskyddlasersvetsningteknologi
Svetshastighet 200 mm/s
År 2016 var Kinas installerade kapacitet för bilbatterier cirka 30,8 GWh, år 2017 var den cirka 36 GWh och år 2018, vilket inleddes en ytterligare explosion, nådde den installerade kapaciteten 57 GWh, en ökning med 57 % jämfört med föregående år. Nya personbilar producerade också nästan en miljon, en ökning med 80,7 % jämfört med föregående år. Bakom explosionen i installerad kapacitet ligger frigörandet av tillverkningskapacitet för litiumbatterier. Nya personbilsbatterier står för mer än 50 % av den installerade kapaciteten, vilket också innebär att branschens krav på batteriprestanda och kvalitet kommer att bli allt strängare, och de åtföljande förbättringarna av tillverkningsutrustningsteknik och processteknik har också gått in i en ny era: för att möta kraven på produktionskapacitet i en enda linje måste produktionskapaciteten för lasersvetsutrustning för topplock ökas till 15–20 ppm, och desslasersvetsningHastigheten måste nå 150-200 mm/s. Därför har olika utrustningstillverkare, när det gäller drivmotorer, uppgraderat sin linjärmotorplattform så att dess rörelsemekanism uppfyller kraven på rörelseprestanda för svetsning med rektangulär bana och jämn hastighet på 200 mm/s. Hur man säkerställer svetskvaliteten under höghastighetssvetsning kräver dock ytterligare processgenombrott, och företag i branschen har genomfört många undersökningar och studier: Jämfört med 1.0-eran är problemet med höghastighetssvetsning under 2.0-eran: genom att använda vanliga fiberlasrar för att mata ut en enda punkts ljuskälla genom vanliga svetshuvuden är det svårt att uppfylla kravet på 200 mm/s.
I den ursprungliga tekniska lösningen kan svetsformningseffekten endast styras genom att konfigurera alternativ, justera punktstorleken och justera grundläggande parametrar som lasereffekt: när man använder en konfiguration med en mindre punkt blir nyckelhålet i svetsbassängen litet, bassängformen instabil och svetsningen blir instabil. Sömsvetsbredden är också relativt liten; när man använder en konfiguration med en större ljuspunkt ökar nyckelhålet, men svetseffekten ökar avsevärt och stänk- och spränghålshastigheterna ökar avsevärt.
Teoretiskt sett, om du vill säkerställa svetsformningseffekten av höghastighetslasersvetsningför topplocket måste du uppfylla följande krav:
① Svetsfogen har tillräcklig bredd och förhållandet mellan svetsfogens djup och bredd är lämpligt, vilket kräver att ljuskällans värmeverkansområde är tillräckligt stort och att svetslinjens energi ligger inom ett rimligt intervall;
② Svetsfogen är slät, vilket kräver att svetsfogens termiska cykeltid är tillräckligt lång under svetsprocessen så att smältan har tillräcklig flytförmåga och svetsfogen stelnar till en slät metallsvets under skydd av skyddsgasen;
③ Svetsfogen har god konsistens och få porer och hål. Detta kräver att lasern verkar stabilt på arbetsstycket under svetsprocessen, och att högenergiplasmastrålen kontinuerligt genereras och verkar på insidan av smältbadet. Smältbadet producerar ett "nyckelhål" under plasmareaktionskraften. Nyckelhålet är tillräckligt stort och stabilt för att den genererade metallångan och plasman inte lätt ska kunna stötas ut och få ut metalldroppar, vilket bildar stänk, och smältbadet runt nyckelhålet inte lätt ska kunna kollapsa och involvera gas. Även om främmande föremål bränns under svetsprocessen och gaser frigörs explosivt, är ett större nyckelhål mer gynnsamt för frigörandet av explosiva gaser och minskar metallstänk och hål som bildas.
Som svar på ovanstående punkter har batteritillverkningsföretag och utrustningstillverkningsföretag i branschen gjort olika försök och metoder: Tillverkning av litiumbatterier har utvecklats i Japan i årtionden, och relaterad tillverkningsteknik har tagit ledningen.
År 2004, när fiberlasertekniken ännu inte hade fått någon större kommersiell tillämpning, använde Panasonic LD-halvledarlasrar och pulslamppumpade YAG-lasrar för blandad effekt (schemat visas i figuren nedan).
Schematiskt diagram över multilaserhybridsvetsteknik och svetshuvudstruktur
Ljusfläcken med hög effektdensitet som genereras av den pulseradeYAG-lasermed en liten punkt används för att verka på arbetsstycket för att generera svetshål för att uppnå tillräcklig svetspenetration. Samtidigt används LD-halvledarlasern för att ge en kontinuerlig CW-laser för att förvärma och svetsa arbetsstycket. Smältbadet under svetsprocessen ger mer energi för att få större svetshål, öka svetsfogens bredd och förlänga stängningstiden för svetshålen, vilket hjälper gasen i smältbadet att komma ut och minskar svetsfogens porositet, som visas nedan.
Schematiskt diagram över hybridlasersvetsning
Genom att tillämpa denna teknik,YAG-lasraroch LD-lasrar med endast några hundra watt effekt kan användas för att svetsa tunna litiumbatterihöljen med en hög hastighet på 80 mm/s. Svetseffekten är som visas i figuren.
Svetsmorfologi under olika processparametrar
Med utvecklingen och uppkomsten av fiberlasrar har fiberlasrar gradvis ersatt pulserade YAG-lasrar inom lasermetallbearbetning på grund av deras många fördelar såsom god strålkvalitet, hög fotoelektrisk omvandlingseffektivitet, lång livslängd, enkelt underhåll och hög effekt.
Därför har laserkombinationen i ovanstående laserhybridsvetslösning utvecklats till en fiberlaser + LD-halvledarlaser, och lasern matas också koaxiellt ut genom ett speciellt bearbetningshuvud (svetshuvudet visas i figur 7). Under svetsprocessen är laserns verkningsmekanism densamma.
Kompositlasersvetsfog
I den här planen, den pulseradeYAG-laserersätts av en fiberlaser med bättre strålkvalitet, högre effekt och kontinuerlig uteffekt, vilket avsevärt ökar svetshastigheten och ger bättre svetskvalitet (svetseffekten visas i figur 8). Denna plan är därför också populär bland vissa kunder. För närvarande har denna lösning använts vid tillverkning av tätningssvetsning för toppkåpor till batterier, och kan nå en svetshastighet på 200 mm/s.
Utseende på topplocksvetsning vid hybridlasersvetsning
Även om lösningen med dubbelvåglängdslaser löser svetsstabiliteten vid höghastighetssvetsning och uppfyller svetskvalitetskraven för höghastighetssvetsning av battericellslock, finns det fortfarande vissa problem med denna lösning ur utrustnings- och processperspektiv.
Först och främst är hårdvarukomponenterna i denna lösning relativt komplexa och kräver användning av två olika typer av lasrar och speciella lasersvetsfogar med dubbelvåglängd, vilket ökar investeringskostnaderna för utrustning, ökar svårigheten att underhålla utrustningen och ökar potentiella felpunkter för utrustningen.
För det andra, dubbelvåglängdenlasersvetsningDen använda fogen består av flera uppsättningar linser (se figur 4). Effektförlusten är större än för vanliga svetsfogar, och linsens position måste justeras till lämplig position för att säkerställa den koaxiella utsignalen från dubbelvåglängdslasern. Och vid fokusering på ett fast fokalplan, långvarig höghastighetsdrift, kan linsens position bli lös, vilket orsakar förändringar i den optiska vägen och påverkar svetskvaliteten, vilket kräver manuell omjustering.
För det tredje är laserreflektionen kraftig under svetsning och kan lätt skada utrustning och komponenter. Speciellt vid reparation av defekta produkter reflekterar den släta svetsytan en stor mängd laserljus, vilket lätt kan orsaka ett laserlarm, och bearbetningsparametrarna måste justeras för reparation.
För att lösa ovanstående problem måste vi hitta ett annat sätt att utforska. Under 2017-2018 studerade vi högfrekventa svängningarlasersvetsningtekniken för batteriets topplock och lanserade den i produktion. Lasersvetsning med hög frekvens (nedan kallad svängsvetsning) är en annan aktuell höghastighetssvetsningsprocess på 200 mm/s.
Jämfört med hybridlasersvetslösningen kräver hårdvarudelen av denna lösning endast en vanlig fiberlaser kopplad till ett oscillerande lasersvetshuvud.
wobble wobble svetshuvud
Inuti svetshuvudet finns en motordriven reflekterande lins som kan programmeras för att styra laserns svängning enligt den designade banatypen (vanligtvis cirkulär, S-formad, 8-formad, etc.), svängamplitud och frekvens. Olika svängparametrar kan göra svetsningens tvärsnitt. Finns i olika former och storlekar.
Svetsar erhållna under olika svängbanor
Högfrekvent svänghuvud drivs av en linjärmotor för att svetsa längs mellanrummet mellan arbetsstyckena. Beroende på cellhöljets väggtjocklek väljs lämplig svängningsbana och amplitud. Under svetsningen kommer den statiska laserstrålen endast att bilda ett V-format svetssnitt. Men driven av svänghuvudet svänger strålpunkten med hög hastighet på fokalplanet och bildar ett dynamiskt och roterande svetsnyckelhål, vilket kan uppnå ett lämpligt förhållande mellan svetsdjup och svetsbredd;
Det roterande svetsnyckelhålet rör om svetsen. Å ena sidan hjälper det gasen att släppas ut och minskar svetsporerna, och har en viss effekt på att reparera porerna i svetsexplosionspunkten (se figur 12). Å andra sidan värms och kyls svetsgodset på ett ordnat sätt. Cirkulationen gör att svetsen får ett regelbundet och ordnat fiskfjällsmönster att se ut.
Svängsvetsfogformning
Anpassningsförmåga hos svetsar till färgföroreningar under olika svängparametrar
Ovanstående punkter uppfyller de tre grundläggande kvalitetskraven för höghastighetssvetsning av topplocket. Denna lösning har andra fördelar:
① Eftersom det mesta av lasereffekten injiceras i det dynamiska nyckelhålet, minskas den externa spridda lasern, så endast en mindre lasereffekt behövs, och svetsvärmeinmatningen är relativt låg (30 % mindre än kompositsvetsning), vilket minskar utrustningsförluster och energiförluster;
② Svängsvetsmetoden har hög anpassningsförmåga till arbetsstyckens monteringskvalitet och minskar defekter orsakade av problem som monteringssteg;
③Svängsvetsmetoden har en stark reparationseffekt på svetshål, och utbytet av att använda denna metod för att reparera svetshål i batterikärnor är extremt högt;
④Systemet är enkelt, och felsökning och underhåll av utrustningen är enkla.
3. 3.0-eran av lasersvetsteknik för topplock
Svetshastighet 300 mm/s
I takt med att nya energisubventioner fortsätter att minska har nästan hela industrikedjan inom batteritillverkningsindustrin hamnat i ett röda hav. Industrin har också gått in i en omstruktureringsperiod, och andelen ledande företag med skalfördelar och tekniska fördelar har ökat ytterligare. Men samtidigt kommer "att förbättra kvaliteten, minska kostnaderna och öka effektiviteten" att bli huvudtemat för många företag.
Under en period med låga eller inga subventioner kan vi bara ha en extra chans att vinna i tävlingen genom att uppnå iterativa uppgraderingar av tekniken, högre produktionseffektivitet, minska tillverkningskostnaden för ett enskilt batteri och förbättra produktkvaliteten.
Han's Laser fortsätter att investera i forskning om höghastighetssvetsteknik för battericellslock. Utöver de olika processmetoder som presenterats ovan studerar man även avancerade tekniker som ringformad punktlasersvetsteknik och galvanometerlasersvetsteknik för battericellslock.
För att ytterligare förbättra produktionseffektiviteten, utforska svetsteknik för topplock med en hastighet på 300 mm/s och högre. Han's Laser studerade svetsförsegling med skanning av galvanometerlaser under 2017-2018, och bröt över de tekniska svårigheterna med svårt gasskydd av arbetsstycket under galvanometersvetsning och dålig svetsytformningseffekt, och uppnådde 400-500 mm/s.lasersvetsningav cellens topplock. Svetsning tar bara 1 sekund för ett 26148-batteri.
På grund av den höga effektiviteten är det dock extremt svårt att utveckla stödutrustning som matchar effektiviteten, och utrustningskostnaden är hög. Därför genomfördes ingen ytterligare kommersiell applikationsutveckling för denna lösning.
Med den vidare utvecklingen avfiberlaserInom ramen för tekniken har nya högpresterande fiberlasrar lanserats som direkt kan avge ringformade ljusfläckar. Denna typ av laser kan avge punktformade laserfläckar genom speciella flerskiktade optiska fibrer, och fläckens form och effektfördelning kan justeras, som visas i figuren.
Svetsar erhållna under olika svängbanor
Genom justering kan laserns effekttäthetsfördelning göras till en punktformad munkformad hatt. Denna typ av laser kallas Corona, som visas i figuren.
Justerbar laserstråle (respektive: mittbelysning, mittbelysning + ringbelysning, ringbelysning, två ringbelysningar)
År 2018 testades tillämpningen av flera lasrar av denna typ vid svetsning av battericellslock av aluminium, och baserat på Corona-lasern inleddes forskning om 3.0-processtekniklösningen för lasersvetsning av battericellslock. När Corona-lasern utför punktringlägesutgång, liknar effekttäthetsfördelningsegenskaperna för dess utgångsstråle den sammansatta utgången från en halvledar- + fiberlaser.
Under svetsprocessen bildar mittpunktsljuset med hög effekttäthet ett nyckelhål för djupsvetsning för att uppnå tillräcklig svetspenetration (liknande fiberlaserns uteffekt i hybridsvetslösningen), och ringljuset ger större värmeinmatning, förstorar nyckelhålet, minskar påverkan av metallånga och plasma på den flytande metallen vid nyckelhålets kant, minskar det resulterande metallstänket och ökar svetsens termiska cykeltid, vilket hjälper gasen i smältbadet att släppas ut under en längre tid och förbättrar stabiliteten hos höghastighetssvetsprocesser (liknande utgången från halvledarlasrar i hybridsvetslösningar).
I testet svetsade vi tunnväggiga batterier och fann att svetsstorleken var jämn och processförmågan CPK var god, såsom visas i figur 18.
Utseende på svetsad batterilucka med väggtjocklek 0,8 mm (svetshastighet 300 mm/s)
När det gäller hårdvara, till skillnad från hybridsvetslösningen, är denna lösning enkel och kräver inte två lasrar eller ett speciellt hybridsvetshuvud. Den kräver bara ett vanligt högeffektslasersvetshuvud (eftersom endast en optisk fiber matar ut en laser med en våglängd är linsstrukturen enkel, ingen justering krävs och effektförlusten är låg), vilket gör det enkelt att felsöka och underhålla, och utrustningens stabilitet förbättras avsevärt.
Förutom det enkla systemet med hårdvarulösningen och att den uppfyller kraven för höghastighetssvetsning av battericellens toppkåpa, har denna lösning andra fördelar i processtillämpningar.
I testet svetsade vi batteriets topplock med en hög hastighet på 300 mm/s, och uppnådde ändå goda svetsfogar. Dessutom, för skal med olika väggtjocklekar på 0,4, 0,6 och 0,8 mm, kan bra svetsning endast utföras genom att helt enkelt justera laserutgångsläget. För hybridsvetslösningar med dubbelvåglängdslaser är det dock nödvändigt att ändra den optiska konfigurationen för svetshuvudet eller lasern, vilket kommer att medföra högre utrustningskostnader och tidskostnader för felsökning.
Därför punktringens fläcklasersvetsningLösningen kan inte bara uppnå ultrasnabb svetsning av topplocket med 300 mm/s och förbättra produktionseffektiviteten hos kraftbatterier. För batteritillverkningsföretag som behöver frekventa modellbyten kan denna lösning också avsevärt förbättra kvaliteten på utrustning och produkters kompatibilitet, vilket förkortar tiden för modellbyte och felsökning.
Utseende på svetsad batterilucka med väggtjocklek 0,4 mm (svetshastighet 300 mm/s)
Utseende på svetsad batterilucka med väggtjocklek 0,6 mm (svetshastighet 300 mm/s)
Coronalasersvetspenetration för tunnväggig cellsvetsning – processkapacitet
Förutom den ovan nämnda coronalasern har AMB-lasrar och ARM-lasrar liknande optiska utgångsegenskaper och kan användas för att lösa problem som att förbättra lasersvetssprut, förbättra svetsytans kvalitet och förbättra svetsstabiliteten vid höga hastigheter.
4. Sammanfattning
De olika lösningarna som nämns ovan används alla i faktisk produktion av inhemska och utländska litiumbatteritillverkningsföretag. På grund av olika produktionstider och olika tekniska bakgrunder används olika processlösningar i stor utsträckning inom branschen, men företag har högre krav på effektivitet och kvalitet. Det förbättras ständigt, och fler nya tekniker kommer snart att tillämpas av företag i teknikens framkant.
Kinas nya energibatteriindustri startade relativt sent och har utvecklats snabbt tack vare nationell politik. Relaterade teknologier har fortsatt att utvecklas tack vare gemensamma ansträngningar från hela industrikedjan och har avsevärt minskat klyftan till framstående internationella företag. Som en inhemsk tillverkare av litiumbatteriutrustning utforskar Maven också ständigt sina egna fördelar, hjälper till med iterativa uppgraderingar av batteriutrustning och tillhandahåller bättre lösningar för automatiserad produktion av nya energilagringsbatterimoduler.
Publiceringstid: 19 sep-2023
