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        激光焊接在鋰離子電池制造的應(yīng)用研究

        2021-03-27 10:06:09佘松燦
        家園·電力與科技 2021年17期
        關(guān)鍵詞:鋰離子電池制造焊接

        佘松燦

        摘要:隨著新能源電動汽車的發(fā)展,具有出色充?放電性能,高能量和高功率密度的鋰離子電池成為當前重要發(fā)展方向之一?焊接質(zhì)量的好壞決定了電池的密封性?一致性?安全性以及使用壽命等,如何提高焊接質(zhì)量和效率是制約鋰離子電池制造的關(guān)鍵因素?激光焊接作為新型焊接方法的一種,具有熱影響區(qū)小?能量密度高?焊接速度快?加工精度高等優(yōu)勢,被廣泛應(yīng)用在鋰離子電池焊接中?研究激光焊接鋰離子電池的工藝規(guī)律以及激光焊接設(shè)備,具有重要的理論研究價值和廣闊的應(yīng)用前景?

        關(guān)鍵詞:鋰離子電池;電池組;制造;激光;焊接

        鋰離子電池具有能量密度大,平均輸出電壓高,無記憶效應(yīng),循環(huán)性能優(yōu)越,綠色無污染等優(yōu)點,因此作為目前新能源汽車的重點研究對象?專家學(xué)者們對鋰離子電池電極材料研制選用?新的制造工藝?加工設(shè)備?使用技術(shù)等進行了深入研究?鋰離子電池或電池組有很多道制造工序,其中焊接工序包括安全帽點焊?極耳焊接?電池殼體密封焊接以及電池組焊等?研究鋰離子電池焊接技術(shù)對鋰離子電池發(fā)展具有重要意義?

        1鋰離子電池的研究意義

        石油?煤炭等石化燃料給人們帶來了極大的便利,但同時,燃料的消耗也增加了碳排放量,使環(huán)境污染問題愈加嚴重,尤其在交通運輸領(lǐng)域,燃油汽車的保有量逐年增加,石油消耗帶來的環(huán)境污染更是愈來愈烈?需要大力推廣新能源汽車,以減少交通領(lǐng)域的碳排放,實現(xiàn)環(huán)境保護的目的?

        2鋰離子電池介紹

        鋰離子電池是一種可充電電池,主要由正極、負極、電解質(zhì)、隔膜和外殼等構(gòu)成。通常以鈷酸鋰、磷酸鐵鋰等為正極活性物質(zhì),以石墨、納米碳纖維等為負極活性物質(zhì),以乙基碳酸酯、二甲基碳酸酯等為電解質(zhì),以聚丙烯、聚乙烯微孔膜等為隔膜,以鋼或鋁制材料作為外殼。此外,在鋰離子電池的生產(chǎn)、封裝過程中,還會用到銅箔、鋁箔、導(dǎo)電炭黑、連接片等輔助材料。在正常工作過程中,鋰離子電池正、負極材料之間的電位差,會促使自由電子通過電解質(zhì),在正、負極之間游走,實現(xiàn)充放電。鋰離子電池具有能量密度高、低溫性能好、使用壽命長等特點,在新能源汽車、數(shù)碼產(chǎn)品等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

        3激光焊接在鋰離子電池焊接中的發(fā)展現(xiàn)狀

        激光焊接在鋰離子電池焊接過程中應(yīng)用包括電池殼體密封焊接?電池組焊?電池極帶點焊?電池防爆閥點焊?極耳焊接等,其中電池殼體密封焊接?電池組焊應(yīng)用最為廣泛?鋰離子電池殼體用于密封電芯和電解液?目前普遍采用的殼體材料一般為鋁合金(多為3003系)?電池制造過程中采用殼體與蓋板分離的結(jié)構(gòu)形式,然后再通過焊接工藝將兩者焊接在一起?動力電池之間的串并聯(lián)一般通過連接片與單體電池的焊接來完成,連接片常用銅片或鋁片,正負極材料為銅或鋁,其中銅和銅?鋁和鋁一般均采用激光焊接?

        電池的焊接質(zhì)量直接影響了電池的質(zhì)量?使用壽命和安全性能?目前激光焊接多采用人工上料或手動夾持,焊接效效率和質(zhì)量較低?鋰離子電池殼體焊接和電池組焊,對目前激光焊接工藝和設(shè)備提出了新的挑戰(zhàn),研究其在鋰離子電池焊接中的應(yīng)用具有重要意義?

        4國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析

        4.1激光焊接工藝的研究

        鋰離子電池殼體?電池組連接板?正極端材料多使用鋁材?鋁合金對激光有較高的反射率,且焊接過程容易產(chǎn)生變形?裂紋;極易產(chǎn)生氣孔?研究激光焊接鋁合金的焊接機理,優(yōu)化改進現(xiàn)有激光焊接工藝,對提高焊接效率和質(zhì)量有重要意義?

        4.2激光焊接鋰離子電池新型設(shè)備的研發(fā)

        隨著鋰電行業(yè)的快速發(fā)展,目前使用焊接生產(chǎn)設(shè)備已經(jīng)不能滿足人們對生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量的需求?結(jié)合新的激光焊接工藝,研發(fā)激光焊接鋰離子電池新型設(shè)備,由人工或半自動化生產(chǎn)向全自動化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變,才能夠與高速發(fā)展的鋰電池行業(yè)相匹配?

        國外有關(guān)激光焊接的研究較為成熟,應(yīng)用在鋰離子動力電池焊接的研究主要集中在激光焊接工藝的研究?KIM.J.D等人使用脈沖Nd:YAG激光器,對鋰離子電池殼體和蓋板?注液口進行焊接實驗,研究了焊縫缺陷產(chǎn)生的原因和解決方法?在電池殼體與蓋板的焊接實驗中,與側(cè)面焊接相比,平面焊接可采用一個焊接頭一次性完成焊接,焊接軌跡美觀,穿透性缺陷少,平面焊接效果,如圖1所示?

        在注液口密封焊接實驗中,改善原有使用壓頭法壓入密封帽的方式,采用橢圓形凸輪小壓力多次壓入,防止密封帽陷入注液口,降低兩者之間的偏心率和間隙,焊接質(zhì)量顯著提高?

        SCHMITZ為提高電池組焊接的穩(wěn)定性,對DC04鍍鎳鋼進行了脈沖激光焊接的工藝試驗,研究了矩形脈沖?特形脈沖?尖脈沖和傾斜脈沖四種不同的脈沖激光焊接工藝,采用脈沖激光焊接后截面情況,如圖2所示?通過對比分析四種工藝焊接后柱狀電池連接接頭的焊縫質(zhì)量?力學(xué)性能?導(dǎo)電性能等,確定了脈沖激光在電池單元組焊中有較高的適用性?

        國內(nèi)學(xué)者在研究激光焊接工藝對焊接質(zhì)量影響的同時,設(shè)計并研發(fā)了動力電池焊接設(shè)備或焊接系統(tǒng)?

        許為柏等使用3000W的全固態(tài)激光器對1.0mm厚的AL3003電池外殼進行焊接實驗,主要研究了激光輸出功率和焊接速度對焊縫寬度和深度的影響?實驗表明,激光輸出功率增大,焊縫寬度深度也隨之增大;增大焊接速度,焊縫寬度減小?通過實驗確定了采用全固態(tài)激光進行動力電池材料(AL3003)高速焊接的最佳焊接參數(shù),對后續(xù)相關(guān)研究具有指導(dǎo)意義?

        張健等基于工業(yè)機器人的基礎(chǔ)上,研發(fā)出動力電池外殼封裝激光自動化焊接系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠?qū)哂袕?fù)雜幾何尺寸的電池外殼進行封裝焊接?采用工業(yè)機器人研制的動力電池殼激光自動化焊接系統(tǒng)?該套設(shè)備焦距可變?角度可調(diào)?靈活性強,能滿足其封裝,并且產(chǎn)品連續(xù)性?一致性好,外觀光亮?規(guī)則?可實現(xiàn)多工位連續(xù)焊接,易于實現(xiàn)自動化,加工效率是普通工作臺的3倍,為我國動力電池封裝提供了參考?

        5總結(jié)

        隨著激光焊接的發(fā)展,新的焊接形式被更多的應(yīng)用的鋰離子電池焊接中?有關(guān)學(xué)者專家必然會通過進一步研究,更好的將新的技術(shù)和工藝方法應(yīng)用到鋰電焊接中,實現(xiàn)鋰離子電池焊接設(shè)備的高焊接質(zhì)量?高精度?高度自動化?

        參考文獻

        [1]曹寶華,夏琴香,李尤祥.鋰離子電池套管加熱工藝及加熱故障研究[J].機械設(shè)計與制造,2014(4):238-241.

        [2]肖艷春,趙庚,張宇.鋰離子電池芯體卷繞設(shè)備的設(shè)計與分析[J].機械設(shè)計與制造,2009(10):190-192.

        [3]SCHMIDTPA,ZAEHMF.Laserbeamweldingofelectricalcontactsoflithium-ionbatteriesforelectric-andhybrid-electricvehicles[J].Pr-oductionEngineering,2015,9(5-6):593-599.

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