Firkantede aluminiumsskallithiumbatterier har mange fordele, såsom enkel struktur, god slagfasthed, høj energitæthed og stor cellekapacitet. De har altid været hovedretningen for indenlandsk lithiumbatterifremstilling og -udvikling, og de tegner sig for mere end 40% af markedet.
Strukturen af det firkantede aluminiumsskallithiumbatteri er som vist på figuren, som er sammensat af batterikerne (positive og negative elektrodeplader, separator), elektrolyt, skal, topdæksel og andre komponenter.
Firkantet aluminiumsskal lithium batteristruktur
Under fremstillings- og monteringsprocessen af firkantede aluminiumsskallithium-batterier er et stort antallasersvejsningder kræves processer, såsom: svejsning af bløde forbindelser af battericeller og dækplader, dækpladeforseglingssvejsning, tætningssømsvejsning osv. Lasersvejsning er den vigtigste svejsemetode for prismatiske strømbatterier. På grund af sin høje energitæthed, gode kraftstabilitet, høje svejsepræcision, nemme systematiske integration og mange andre fordele,lasersvejsninger uerstattelig i produktionsprocessen af prismatiske aluminiumsskallithium-batterier. rolle.
Maven 4-akset automatisk galvanometer platformfiber laser svejsemaskine
Svejsesømmen på topdækselpakningen er den længste svejsesøm i det firkantede aluminiumsskalbatteri, og det er også svejsesømmen, der tager længst tid at svejse. I de seneste år har fremstillingsindustrien for lithiumbatterier udviklet sig hurtigt, og topdækslets tætningslasersvejseprocesteknologi og dens udstyrsteknologi har også udviklet sig hurtigt. Baseret på udstyrets forskellige svejsehastighed og ydeevne opdeler vi groft topdækslet lasersvejseudstyr og processer i tre epoker. Det er 1.0-æraen (2015-2017) med svejsehastighed <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 introducere udviklingen af teknologi langs tidens vej:
1. 1.0-æraen af topcover-lasersvejseteknologi
Svejsehastighed＜100 mm/s
Fra 2015 til 2017 begyndte indenlandske nye energikøretøjer at eksplodere drevet af politikker, og batteriindustrien begyndte at ekspandere. Imidlertid er teknologiakkumuleringen og talentreserverne i indenlandske virksomheder stadig relativt små. Relaterede batterifremstillingsprocesser og udstyrsteknologier er også i deres vorden, og graden af udstyrsautomatisering Relativt lav er udstyrsproducenter lige begyndt at være opmærksomme på fremstilling af strømbatterier og øge investeringerne i forskning og udvikling. På dette stadium er industriens produktionseffektivitetskrav for laserforseglingsudstyr med kvadratisk batteri normalt 6-10PPM. Udstyrsløsningen bruger normalt en 1kw fiberlaser til at udsende gennem en almlaser svejsehoved(som vist på billedet), og svejsehovedet drives af en servoplatformsmotor eller en lineærmotor. Bevægelse og svejsning, svejsehastighed 50-100mm/s.
Brug af 1kw laser til at svejse batterikernens topdæksel
I denlasersvejsningproces, på grund af den relativt lave svejsehastighed og den relativt lange termiske cyklustid for svejsningen, har den smeltede pool tid nok til at flyde og størkne, og beskyttelsesgassen kan bedre dække den smeltede pool, hvilket gør det nemt at opnå en jævn og hel overflade, svejsninger med god konsistens, som vist nedenfor.
Svejsesøm til lavhastighedssvejsning af topdæksel
Med hensyn til udstyr, selvom produktionseffektiviteten ikke er høj, er udstyrsstrukturen relativt enkel, stabiliteten er god, og udstyrsomkostningerne er lave, hvilket godt opfylder behovene for industriudvikling på dette stadium og lægger grundlaget for efterfølgende teknologisk udvikling. ,
Selvom topdækslets tætningssvejsning 1.0 æra har fordelene ved simpel udstyrsløsning, lave omkostninger og god stabilitet. Men dens iboende begrænsninger er også meget indlysende. Med hensyn til udstyr kan motorens kørekapacitet ikke imødekomme kravet om yderligere hastighedsforøgelse; Med hensyn til teknologi vil blot en forøgelse af svejsehastigheden og lasereffekten for at øge hastigheden forårsage ustabilitet i svejseprocessen og et fald i udbyttet: hastighedsforøgelse forkorter den termiske svejsecyklustid, og metallet Smelteprocessen er mere intens, sprøjtet øges, tilpasningsevnen til urenheder bliver værre, og der er mere sandsynlighed for, at der dannes sprøjthuller. Samtidig forkortes smeltebassinets størkningstid, hvilket vil medføre, at svejseoverfladen bliver ru, og konsistensen reduceres. Når laserpletten er lille, er varmetilførslen ikke stor, og sprøjtet kan reduceres, men svejsningens dybde-til-bredde-forhold er stort, og svejsebredden er ikke nok; når laserpunktet er stort, skal der tilføres større lasereffekt for at øge svejsningens bredde. Stort, men det vil samtidig føre til øget svejsesprøjt og dårlig overfladedannelseskvalitet af svejsningen. Under det tekniske niveau på dette stadie betyder yderligere speed-up, at udbyttet skal veksles til effektivitet, og opgraderingskravene til udstyr og procesteknologi er blevet industrikrav.
2. Topcoverets 2.0-æralasersvejsningteknologi
Svejsehastighed 200 mm/s
I 2016 var Kinas installerede kapacitet af bilbatterier cirka 30,8 GWh, i 2017 var den cirka 36 GWh, og i 2018, indledt en yderligere eksplosion, nåede den installerede kapacitet 57 GWh, en år-til-år stigning på 57 %. Nye energi-passagerbiler producerede også næsten en million, en år-til-år stigning på 80,7 %. Bag eksplosionen i installeret kapacitet er frigivelsen af lithiumbatteriets produktionskapacitet. Nye energibatterier til personbiler tegner sig for mere end 50 % af den installerede kapacitet, hvilket også betyder, at industriens krav til batteriydelse og kvalitet bliver stadig strengere, og de medfølgende forbedringer inden for produktionsudstyrsteknologi og procesteknologi er også trådt ind i en ny æra : For at opfylde kravene til produktionskapacitet med en enkelt linje, skal produktionskapaciteten af lasersvejseudstyr til topdæksel øges til 15-20PPM, og detslasersvejsninghastigheden skal nå 150-200 mm/s. Derfor har forskellige udstyrsproducenter med hensyn til drivmotorer. Den lineære motorplatform er blevet opgraderet, så dens bevægelsesmekanisme opfylder kravene til bevægelsesydelse for rektangulær bane 200 mm/s ensartet hastighedssvejsning; hvordan man sikrer svejsekvalitet under højhastighedssvejsning kræver imidlertid yderligere procesgennembrud, og virksomheder i branchen har gennemført mange udforskninger og undersøgelser: Sammenlignet med 1.0-æraen er problemet med højhastighedssvejsning i 2.0-æraen: almindelige fiberlasere til at udsende en enkeltpunkts lyskilde gennem almindelige svejsehoveder, er valget vanskeligt at opfylde 200mm/s kravet.
I den originale tekniske løsning kan svejseformningseffekten kun kontrolleres ved at konfigurere muligheder, justere spotstørrelsen og justere grundlæggende parametre såsom lasereffekt: når du bruger en konfiguration med et mindre punkt, vil nøglehullet i svejsebadet være lille , vil bassinformen være ustabil, og svejsningen bliver ustabil. Sømsammensmeltningsbredden er også forholdsvis lille; når du bruger en konfiguration med et større lyspunkt, vil nøglehullet øges, men svejsekraften vil blive væsentligt forøget, og sprøjt- og sprænghulshastigheden vil blive væsentligt forøget.
Teoretisk, hvis du ønsker at sikre svejsedannende effekt af høj hastighedlasersvejsningaf topdækslet skal du opfylde følgende krav:
① Svejsesømmen har tilstrækkelig bredde, og svejsesømsdybde-til-breddeforholdet er passende, hvilket kræver, at lyskildens varmevirkningsområde er stort nok, og svejseledningsenergien er inden for et rimeligt område;
② Svejsningen er glat, hvilket kræver, at svejsningens termiske cyklustid er lang nok under svejseprocessen, så den smeltede pool har tilstrækkelig fluiditet, og svejsningen størkner til en glat metalsvejsning under beskyttelse af den beskyttende gas;
③ Svejsesømmen har god konsistens og få porer og huller. Dette kræver, at laseren under svejseprocessen virker stabilt på emnet, og højenergistråleplasmaet genereres kontinuerligt og virker på indersiden af smeltebadet. Den smeltede pool producerer "nøgle" under plasmareaktionskraften. "hul", nøglehullet er stort nok og stabilt nok, så den dannede metaldamp og plasma ikke er let at udstøde og bringe metaldråber ud, der danner stænk, og den smeltede pool omkring nøglehullet er ikke let at kollapse og involvere gas . Selvom fremmedlegemer brændes under svejseprocessen, og gasser frigives eksplosivt, er et større nøglehul mere befordrende for frigivelsen af eksplosive gasser og reducerer metalsprøjt og dannede huller.
Som svar på ovenstående punkter har batterifremstillingsvirksomheder og udstyrsfremstillingsvirksomheder i industrien gjort forskellige forsøg og praksis: Lithiumbatterifremstilling er blevet udviklet i Japan i årtier, og relaterede produktionsteknologier har taget føringen.
I 2004, hvor fiberlaserteknologi endnu ikke var blevet anvendt i vid udstrækning kommercielt, brugte Panasonic LD-halvlederlasere og pulslampepumpede YAG-lasere til blandet output (skemaet er vist i figuren nedenfor).
Skema over multi-laser hybrid svejseteknologi og svejsehoved struktur
Lyspletten med høj effekttæthed genereret af den pulseredeYAG lasermed en lille plet bruges til at virke på emnet for at generere svejsehuller for at opnå tilstrækkelig svejsegennemtrængning. Samtidig bruges LD-halvlederlaseren til at levere CW kontinuerlig laser til at forvarme og svejse emnet. Den smeltede pool under svejseprocessen giver mere energi til at opnå større svejsehuller, øge bredden af svejsesømmen og forlænge lukketiden for svejsehullerne, hvilket hjælper gassen i smeltebadet med at undslippe og reducerer porøsiteten af svejsningen søm, som vist nedenfor
Skematisk diagram af hybridlasersvejsning
Ved at anvende denne teknologi,YAG lasereog LD-lasere med kun et par hundrede watt effekt kan bruges til at svejse tynde lithium-batterihuse med en høj hastighed på 80 mm/s. Svejseeffekten er som vist på figuren.
Svejsemorfologi under forskellige procesparametre
Med udviklingen og fremkomsten af fiberlasere har fiberlasere gradvist erstattet pulserende YAG-lasere i lasermetalbehandling på grund af deres mange fordele, såsom god strålekvalitet, høj fotoelektrisk konverteringseffektivitet, lang levetid, nem vedligeholdelse og høj effekt.
Derfor har laserkombinationen i ovenstående laserhybrid svejseløsning udviklet sig til en fiberlaser + LD halvlederlaser, og laseren udsendes også koaksialt gennem et specielt behandlingshoved (svejsehovedet er vist i figur 7). Under svejseprocessen er laservirkningsmekanismen den samme.
Komposit lasersvejsesamling
I denne plan pulserede denYAG lasererstattes af en fiberlaser med bedre strålekvalitet, større effekt og kontinuerlig udgang, hvilket i høj grad øger svejsehastigheden og opnår bedre svejsekvalitet (svejseeffekten er vist i figur 8). Denne plan også Derfor er den begunstiget af nogle kunder. I øjeblikket er denne løsning blevet brugt i produktionen af forseglingssvejsning på batteritopdæksel og kan nå en svejsehastighed på 200 mm/s.
Udseende af topdæksvejsning ved hybrid lasersvejsning
Selvom lasersvejseløsningen med dobbelt bølgelængde løser svejsestabiliteten ved højhastighedssvejsning og opfylder svejsekvalitetskravene for højhastighedssvejsning af battericelletopdæksler, er der stadig nogle problemer med denne løsning set fra udstyrs- og procesperspektivet.
Først og fremmest er hardwarekomponenterne i denne løsning relativt komplekse og kræver brug af to forskellige typer lasere og specielle dobbeltbølgelængde lasersvejsesamlinger, hvilket øger udstyrsinvesteringsomkostningerne, øger vanskeligheden ved udstyrsvedligeholdelse og øger potentiel udstyrsfejl point;
For det andet den dobbelte bølgelængdelasersvejsninganvendte led er sammensat af flere sæt linser (se figur 4). Strømtabet er større end for almindelige svejsesamlinger, og linsepositionen skal justeres til den passende position for at sikre koaksial output fra dobbeltbølgelængdelaseren. Og med fokus på et fast brændplan, langsigtet højhastighedsdrift, kan linsens position blive løs, hvilket forårsager ændringer i den optiske vej og påvirker svejsekvaliteten, hvilket kræver manuel genjustering;
For det tredje er laserrefleksion under svejsning alvorlig og kan let beskadige udstyr og komponenter. Især ved reparation af defekte produkter reflekterer den glatte svejseoverflade en stor mængde laserlys, hvilket nemt kan forårsage en laseralarm, og behandlingsparametrene skal justeres for reparation.
For at løse ovenstående problemer er vi nødt til at finde en anden måde at udforske. I 2017-2018 studerede vi højfrekvenssvingetlasersvejsningteknologien til batteridækslet og promoverede det til produktionsanvendelse. Laserstråle højfrekvent svingsvejsning (herefter benævnt svingsvejsning) er en anden nuværende højhastighedssvejseproces på 200 mm/s.
Sammenlignet med hybrid lasersvejseløsningen kræver hardwaredelen af denne løsning kun en almindelig fiberlaser koblet med et oscillerende lasersvejsehoved.
wobble wobble svejsehoved
Der er en motordrevet reflekterende linse inde i svejsehovedet, som kan programmeres til at styre laseren til at svinge i henhold til den designede banetype (normalt cirkulær, S-formet, 8-formet osv.), svingamplitude og frekvens. Forskellige svingparametre kan gøre svejsetværsnittet Kommer i forskellige former og forskellige størrelser.
Svejsninger opnået under forskellige svingbaner
Det højfrekvente svingsvejsehoved drives af en lineær motor til at svejse langs mellemrummet mellem emnerne. I henhold til celleskallens vægtykkelse vælges den passende svingbanetype og amplitude. Under svejsning vil den statiske laserstråle kun danne et V-formet svejsetværsnit. Men drevet af svingsvejsehovedet svinger strålepunktet med høj hastighed på brændplanet og danner et dynamisk og roterende svejsenøglehul, som kan opnå et passende svejsedybde-til-bredde-forhold;
Det roterende svejsenøglehul rører svejsningen. På den ene side hjælper det gassen med at undslippe og reducerer svejseporerne og har en vis effekt på at reparere nålehullerne i svejseeksplosionspunktet (se figur 12). På den anden side opvarmes og afkøles svejsemetallet på en ordnet måde. Cirkulationen får overfladen af svejsningen til at fremstå som et regulært og velordnet fiskeskælmønster.
Swing svejsning søm formning
Tilpasning af svejsninger til malingsforurening under forskellige svingparametre
Ovenstående punkter opfylder de tre grundlæggende kvalitetskrav til højhastighedssvejsning af topdækslet. Denne løsning har andre fordele:
① Da det meste af lasereffekten sprøjtes ind i det dynamiske nøglehul, reduceres den eksterne spredte laser, så der er kun behov for en mindre lasereffekt, og svejsevarmetilførslen er relativt lav (30 % mindre end kompositsvejsning), hvilket reducerer udstyr tab og energitab;
② Svingsvejsemetoden har høj tilpasningsevne til samlingskvaliteten af emner og reducerer defekter forårsaget af problemer såsom monteringstrin;
③Svingsvejsemetoden har en stærk reparationseffekt på svejsehuller, og udbyttegraden ved at bruge denne metode til at reparere batterikernesvejsehuller er ekstrem høj;
④Systemet er enkelt, og udstyrsfejlretning og vedligeholdelse er enkel.
3. 3.0-æraen af topcover-lasersvejseteknologi
Svejsehastighed 300 mm/s
Efterhånden som nye energitilskud fortsætter med at falde, er næsten hele den industrielle kæde af batterifremstillingsindustrien faldet i det røde hav. Branchen er også gået ind i en omstillingsperiode, og andelen af førende virksomheder med stordrift og teknologiske fordele er steget yderligere. Men samtidig vil "forbedring af kvalitet, reduktion af omkostninger og øge effektiviteten" blive hovedtemaet for mange virksomheder.
I perioden med lave eller ingen subsidier kan vi kun ved at opnå iterative opgraderinger af teknologi, opnå højere produktionseffektivitet, reducere fremstillingsomkostningerne for et enkelt batteri og forbedre produktkvaliteten have en ekstra chance for at vinde i konkurrencen.
Han's Laser fortsætter med at investere i forskning i højhastighedssvejseteknologi til battericelletopdæksler. Ud over de adskillige procesmetoder, der er introduceret ovenfor, studerer den også avancerede teknologier såsom ringformet punktlasersvejseteknologi og galvanometer-lasersvejseteknologi til battericelletopdæksler.
For yderligere at forbedre produktionseffektiviteten, udforsk topcover svejseteknologi ved 300 mm/s og højere hastighed. Han's Laser undersøgte scanning galvanometer laser svejsning forsegling i 2017-2018, bryde igennem de tekniske vanskeligheder med vanskelig gasbeskyttelse af emnet under galvanometer svejsning og dårlig svejseoverflade formende effekt og opnåede 400-500 mm/slasersvejsningaf cellens topdæksel. Svejsning tager kun 1 sekund for et 26148 batteri.
Men på grund af den høje effektivitet er det ekstremt vanskeligt at udvikle støtteudstyr, der matcher effektiviteten, og udstyrsomkostningerne er høje. Derfor blev der ikke udført yderligere kommerciel applikationsudvikling for denne løsning.
Med den videre udvikling affiber laserteknologi, er der lanceret nye højeffektfiberlasere, der direkte kan udsende ringformede lyspletter. Denne type laser kan udsende punktring-laserpletter gennem specielle flerlags optiske fibre, og pletformen og strømfordelingen kan justeres som vist på figuren
Svejsninger opnået under forskellige svingbaner
Gennem justering kan lasereffekttæthedsfordelingen laves til en spot-donut-tophat-form. Denne type laser hedder Corona, som vist på figuren.
Justerbar laserstråle (henholdsvis: centerlys, centerlys + ringlys, ringlys, to ringlys)
I 2018 blev anvendelsen af flere lasere af denne type ved svejsning af battericelletopdæksler af aluminiumsskal afprøvet, og baseret på Corona-laseren blev der lanceret forskning i 3.0 procesteknologiløsningen til lasersvejsning af battericelletopdæksler. Når Corona-laseren udfører punkt-ring-mode-output, svarer effekttæthedsfordelingskarakteristikken for dens udgangsstråle til det sammensatte output fra en halvleder + fiberlaser.
Under svejseprocessen danner midtpunktlyset med høj effekttæthed et nøglehul til dyb penetrationssvejsning for at opnå tilstrækkelig svejsegennemtrængning (svarende til outputtet fra fiberlaseren i hybridsvejseløsningen), og ringlyset giver større varmetilførsel, forstørre nøglehullet, reducere påvirkningen af metaldamp og plasma på det flydende metal ved kanten af nøglehullet, reducere det resulterende metalsprøjt og øge svejsningens termiske cyklustid, hjælper gassen i den smeltede pool med at undslippe i længere tid, hvilket forbedrer stabiliteten af højhastighedssvejseprocesser (svarende til output fra halvlederlasere i hybridsvejseløsninger).
I testen svejste vi tyndvæggede skalbatterier og fandt ud af, at svejsestørrelseskonsistensen var god, og proceskapaciteten CPK var god, som vist i figur 18.
Udseende af svejsning af batteritopdæksel med vægtykkelse 0,8 mm (svejsehastighed 300 mm/s)
Hardwaremæssigt er denne løsning i modsætning til hybridsvejseløsningen enkel og kræver ikke to lasere eller et specielt hybridsvejsehoved. Det kræver kun et almindeligt almindeligt lasersvejsehoved med høj effekt (da kun én optisk fiber udsender en enkelt bølgelængdelaser, linsestrukturen er enkel, ingen justering er påkrævet, og strømtabet er lavt), hvilket gør det nemt at fejlfinde og vedligeholde , og udstyrets stabilitet er væsentligt forbedret.
Ud over hardwareløsningens enkle system og opfyldelse af højhastighedssvejseproceskravene for battericelle-topdækslet, har denne løsning andre fordele i procesapplikationer.
I testen svejste vi batteritopdækslet med en høj hastighed på 300 mm/s og opnåede stadig gode svejsesømdannende effekter. For skaller med forskellige vægtykkelser på 0,4, 0,6 og 0,8 mm er det desuden kun ved blot at justere laseroutputtilstanden, der kan udføres god svejsning. For to-bølgelængde laserhybrid svejseløsninger er det dog nødvendigt at ændre den optiske konfiguration af svejsehovedet eller laseren, hvilket vil medføre større udstyrsomkostninger og debuggingstidsomkostninger.
Derfor punkt-ring stedetlasersvejsningLøsningen kan ikke kun opnå ultrahøjhastighedssvejsning af topdæksel ved 300 mm/s og forbedre produktionseffektiviteten af strømbatterier. For batteriproducerende virksomheder, der har brug for hyppige modelskift, kan denne løsning også i høj grad forbedre kvaliteten af udstyr og produkter. kompatibilitet, hvilket forkorter modelændringen og fejlretningstiden.
Udseende af svejsning af batteritopdæksel med vægtykkelse 0,4 mm (svejsehastighed 300 mm/s)
Udseende af svejsning af batteritopdæksel med vægtykkelse 0,6 mm (svejsehastighed 300 mm/s)
Corona-lasersvejsning til tyndvæggscellesvejsning – procesegenskaber
Ud over den ovenfor nævnte Corona-laser har AMB-lasere og ARM-lasere lignende optiske output-karakteristika og kan bruges til at løse problemer såsom forbedring af lasersvejsesprøjt, forbedring af svejseoverfladekvalitet og forbedring af højhastighedssvejsestabilitet.
4. Sammenfatning
De forskellige løsninger, der er nævnt ovenfor, bruges alle i den faktiske produktion af indenlandske og udenlandske lithiumbatterier. På grund af forskellig produktionstid og forskellig teknisk baggrund er forskellige procesløsninger meget brugt i industrien, men virksomheder har højere krav til effektivitet og kvalitet. Det forbedres konstant, og flere nye teknologier vil snart blive anvendt af virksomheder på forkant med teknologien.
Kinas nye energibatteriindustri startede relativt sent og har udviklet sig hurtigt drevet af nationale politikker. Relaterede teknologier er blevet ved med at udvikle sig med den fælles indsats fra hele industrikæden og har omfattende forkortet afstanden til fremragende internationale virksomheder. Som en indenlandsk producent af lithiumbatteriudstyr udforsker Maven også konstant sine egne fordele, hjælper med iterative opgraderinger af batteripakkeudstyr og leverer bedre løsninger til den automatiserede produktion af nye energi-energilagringsbatterimodulpakker.
Indlægstid: 19. september 2023
