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激光焊接在鋰電池領域的應用

日期:2018-5-28 17:10:56

激光焊接在鋰電池領域的應用

鋰離子電池由於具有比能量高、循環壽命長、自放電小、無記憶效應和無汙染等優點,廣泛應用於各種電子設備(如移動電話、筆記本電腦、PDA、數碼相機及數碼攝像機等)以及交通工具(巡邏車、電動自行車、電動汽車等)上,成為我國能源領域重點支持的高新技術產業。

動力電池指應用於電動車的電池,是相對於小容量電池(如手機、筆記本電腦電池等)而言的,具有較大的容量和輸出功率,可用於電動車輛驅動電源及大型移動電源應用領域的二次電池。鋰離子電池或電池組的製作工序非常多,而其中有多道工序,如防爆閥密封焊接、極耳焊接、軟連接焊接、安全帽點焊、電池殼體密封焊接、模組及PACK焊接都以激光焊接為最佳工藝。動力電池用於焊接的材質主要有純銅、鋁及鋁合金、不鏽鋼等。

圖表 1 激光焊接在鋰電池中的應用

激光焊接應用市場分析--鋰電

激光焊接應用市場分析--鋰電

圖片來源:OFweek研究中心

1、電池防爆閥焊接

電池的防爆閥是電池封口板上的薄壁閥體, 當電池內部壓力超過規定值時, 防爆閥閥體破裂, 避免電池爆裂。安全閥結構巧妙,這道工序對激光焊接工藝要求極為嚴格。沒有采用連續激光焊接之前,電池防爆閥的焊接都是采用脈衝激光器焊接,通過焊點與焊點的重疊和覆蓋來實現連續密封焊接,但焊接效率較低,且密封性相對較差。采用連續激光焊接可以實現高速高質量的焊接,焊接穩定性、焊接效率以及良品率都能夠得到保障。

2、電池極耳焊接

極耳通常分為三種材料,電池的正極使用鋁(Al)材料,負極使用鎳(Ni)材料或銅鍍鎳(Ni-Cu)材料。在動力電池的製造過程中,其中的一個環節是將電池極耳與極柱焊接到一起。在二次電池的製作中需要將其與另外一鋁製的安全閥焊接在一起。焊接不僅要保證極耳與極柱之間的可靠連接,而且要求焊縫平滑美觀。

3、電池極帶點焊

電池極帶使用的材質包括純鋁帶、鎳帶、鋁鎳複合帶以及少量的銅帶等。電池極帶的焊接一般使用脈衝焊接機,隨著IPG公司QCW準連續激光器的出現,其在電池極帶焊接上也得到了廣泛的應用,同時由於其光束質量好、焊斑能夠做到很小,其在應對高反射率的鋁帶、銅帶以及窄帶電池極帶(極帶寬度在1.5mm以下)的焊接有著獨特的優勢。

4、動力電池殼體與蓋板封口焊接

動力電池的殼體材料有鋁合金和不鏽鋼,其中采用鋁合金的最多,一般為3003鋁合金,也有少數采用純鋁。不鏽鋼是激光焊接性最好的材質,尤其304不鏽鋼,無論是脈衝還是連續激光都能夠獲得外觀和性能良好的焊縫。

鋁及鋁合金的激光焊焊接性能根據采用焊接方式的不同而略有差異。除了純鋁和3係鋁合金采用脈衝焊接和連續焊接都沒有問題,其他係列鋁合金最優選擇連續激光焊接方式,以減小裂紋敏感性。同時,根據動力電池殼體厚度選擇合適功率的激光器,一般殼體厚度1mm以下時,可考慮采用1000W以內單模激光器,厚度在1mm以上需使用1000W以上單模或多模激光器。

小容量鋰電池常采用比較薄的鋁殼(厚度在0.25mm左右),也有18650之類的采用鋼殼。由於殼體厚度的關係,此類電池的焊接一般采用較低功率的激光器即可。使用連續激光器焊接薄殼鋰電池,效率可以提升5~10倍,且外觀效果和密封性更好。因此有逐漸取代脈衝激光器在這個應用領域的趨勢。

5、動力電池模組及pack焊接

動力電池之間的串並聯一般通過連接片與單體電池的焊接來完成,正負極材質不同,一般有銅和鋁2種材質,由於銅和鋁之間采用激光焊接後形成脆性化合物,無法滿足使用要求,通常采用超聲波焊接外,銅和銅、鋁和鋁一般均采用激光焊接。同時,由於銅和鋁傳熱均很快,且對激光反射率非常高,連接片厚度相對較大,因此需要采用較高功率的激光器才能夠實現焊接。

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