Firkantede lithiumbatterier med aluminiumskal har mange fordele, såsom enkel struktur, god slagfasthed, høj energitæthed og stor cellekapacitet. De har altid været den primære retning for indenlandsk fremstilling og udvikling af lithiumbatterier og tegner sig for mere end 40% af markedet.
Strukturen af det firkantede aluminiumskal af lithiumbatterier er som vist på figuren, og består af batterikerne (positive og negative elektrodeplader, separator), elektrolyt, skal, topdæksel og andre komponenter.
Firkantet aluminiumskal lithium-batteristruktur
Under fremstillings- og monteringsprocessen af litiumbatterier med firkantet aluminiumskal, et stort antallasersvejsningprocesser er nødvendige, såsom: svejsning af bløde forbindelser mellem battericeller og dækplader, svejsning af dækpladeforsegling, svejsning af forseglingssøm osv. Lasersvejsning er den primære svejsemetode til prismatiske batterier. På grund af dens høje energitæthed, gode effektstabilitet, høje svejsepræcision, nemme systematiske integration og mange andre fordele,lasersvejsninger uerstattelig i produktionsprocessen af prismatiske lithiumbatterier med aluminiumskal. rolle.
Maven 4-akset automatisk galvanometerplatformfiberlasersvejsemaskine
Svejsesømmen på topdækselforseglingen er den længste svejsesøm i det firkantede aluminiumskalbatteri, og det er også den svejsesøm, der tager længst tid at svejse. I de senere år har litiumbatteriindustrien udviklet sig hurtigt, og lasersvejseprocesteknologien til topdækselforsegling og dens udstyrsteknologi har også udviklet sig hurtigt. Baseret på udstyrets forskellige svejsehastigheder og ydeevne opdeler vi groft lasersvejseudstyr og -processer til topdæksel i tre æraer. De 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 teknologiens udvikling langs tidens løb:
1. 1.0-æraen inden for topdæksel-lasersvejseteknologi
Svejsehastighed100 mm/s
Fra 2015 til 2017 begyndte indenlandske nye energikøretøjer at eksplodere drevet af politikker, og batteriindustrien begyndte at ekspandere. Teknologiakkumuleringen og talentreserverne hos indenlandske virksomheder er dog stadig relativt små. Relaterede batteriproduktionsprocesser og udstyrsteknologier er også i deres vorden, og graden af udstyrsautomatisering er relativt lav, og udstyrsproducenter er kun lige begyndt at være opmærksomme på produktion af batterier og øge investeringerne i forskning og udvikling. På dette stadie er industriens produktionseffektivitetskrav til laserforseglingsudstyr til kvadratisk batteri normalt 6-10 PPM. Udstyrsløsningen bruger normalt en 1 kW fiberlaser til at udsende gennem en almindeliglasersvejsehoved(som vist på billedet), og svejsehovedet drives af en servoplatformmotor eller en lineær motor. Bevægelse og svejsning, svejsehastighed 50-100 mm/s.
Brug af 1kw laser til at svejse batterikernens topdæksel
IlasersvejsningPå grund af den relativt lave svejsehastighed og den relativt lange termiske cyklustid for svejsningen har smeltebadet i processen tilstrækkelig tid til at flyde og størkne, og beskyttelsesgassen kan bedre dække smeltebadet, hvilket gør det nemt at opnå en glat og fyldig overflade og svejsninger med god ensartethed, som vist nedenfor.
Svejsesømdannelse til lavhastighedssvejsning af topdæksel
Med hensyn til udstyr er produktionseffektiviteten ikke høj, men udstyrsstrukturen er relativt enkel, stabiliteten er god, og udstyrsomkostningerne er lave, hvilket imødekommer behovene i branchens udvikling på dette stadie og lægger grundlaget for den efterfølgende teknologiske udvikling.
Selvom topdækselforseglingens svejseproces i 1.0-æraen har fordelene ved simpel udstyrsløsning, lave omkostninger og god stabilitet, er dens iboende begrænsninger også meget åbenlyse. Med hensyn til udstyr kan motorens drivkapacitet ikke imødekomme behovet for yderligere hastighedsforøgelse. Med hensyn til teknologi vil blot at øge svejsehastigheden og lasereffekten for yderligere at øge hastigheden forårsage ustabilitet i svejseprocessen og et fald i udbyttet: Hastighedsøgning forkorter svejsetidens termiske cyklustid, og metallet bliver mere intenst. Smelteprocessen bliver mere intens, sprøjten øges, tilpasningsevnen til urenheder bliver dårligere, og sprøjthuller er mere tilbøjelige til at dannes. Samtidig forkortes smeltebadets størkningstid, hvilket vil medføre en ru svejseoverflade og en reduceret konsistens. Når laserpunktet er lille, er varmetilførslen ikke stor, og sprøjten kan reduceres, men forholdet mellem dybde og bredde af svejsningen er stort, og svejsebredden er ikke tilstrækkelig. Når laserpunktet er stort, skal der tilføres større lasereffekt for at øge svejsningens bredde. Stor, men samtidig vil det føre til øget svejsesprøjt og dårlig overfladeformningskvalitet af svejsningen. Under det tekniske niveau på dette stadie betyder yderligere hastighedsforøgelse, at udbytte skal udveksles med effektivitet, og opgraderingskravene til udstyr og procesteknologi er blevet industrikrav.
2. Topdækningens 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 nåede den installerede kapacitet en yderligere eksplosion på 57 GWh, en stigning på 57 % i forhold til året før. Nye energibiler producerede også næsten en million, en stigning på 80,7 % i forhold til året før. Bag eksplosionen i installeret kapacitet ligger frigivelsen af produktionskapacitet for lithiumbatterier. Nye energibiler tegner sig for mere end 50 % af den installerede kapacitet, hvilket også betyder, at branchens krav til batteriernes ydeevne og kvalitet vil blive stadig strengere, og de ledsagende forbedringer i produktionsudstyrsteknologi og procesteknologi er også gået ind i en ny æra: For at opfylde kravene til produktionskapacitet på én linje skal produktionskapaciteten for topdæksel-lasersvejseudstyr øges til 15-20 PPM, og denslasersvejsningHastigheden skal nå 150-200 mm/s. Derfor har forskellige udstyrsproducenter, hvad angår drivmotorer, opgraderet den lineære motorplatform, så dens bevægelsesmekanisme opfylder kravene til bevægelsesydelse for svejsning med ensartet hastighed på 200 mm/s med rektangulær bane. Imidlertid kræver det yderligere procesgennembrud at sikre svejsekvaliteten under højhastighedssvejsning, og virksomheder i branchen har gennemført mange undersøgelser og undersøgelser: Sammenlignet med 1.0-æraen er problemet med højhastighedssvejsning i 2.0-æraen: Ved at bruge almindelige fiberlasere til at udsende en enkeltpunktslyskilde gennem almindelige svejsehoveder er det vanskeligt at opfylde kravet på 200 mm/s.
I den oprindelige tekniske løsning kan svejseformningseffekten kun styres ved at konfigurere indstillinger, justere punktstørrelsen og justere grundlæggende parametre såsom lasereffekt: Når man bruger en konfiguration med et mindre punkt, vil nøglehullet i svejsebadet være lille, poolformen vil være ustabil, og svejsningen vil blive ustabil. Sømsmeltebredden er også relativt lille; når man bruger en konfiguration med et større lyspunkt, vil nøglehullet øges, men svejseeffekten vil blive betydeligt forøget, og sprøjt- og sprænghullernes hastighed vil blive betydeligt forøget.
Teoretisk set, hvis du vil sikre svejseformningseffekten ved højhastighedssvejsninglasersvejsningaf topdækslet skal du opfylde følgende krav:
① Svejsesømmen har tilstrækkelig bredde, og forholdet mellem svejsesømmens dybde og bredde er passende, hvilket kræver, at lyskildens varmevirkningsområde er stort nok, og at svejselinjeenergien er inden for et rimeligt område;
② Svejsningen er glat, hvilket kræver, at svejsningens termiske cyklustid er lang nok under svejseprocessen, så smeltebadet har tilstrækkelig flydeevne, og svejsningen størkner til en glat metalsvejsning under beskyttelse af beskyttelsesgassen;
③ Svejsesømmen har god konsistens og få porer og huller. Dette kræver, at laseren under svejseprocessen virker stabilt på emnet, og at der kontinuerligt genereres en højenergistråle af plasmaet, som virker på indersiden af smeltebadet. Smeltebadet producerer et "nøglehul" under plasmaets reaktionskraft. Nøglehullet er stort nok og stabilt nok til, at den genererede metaldamp og plasma ikke let kan skubbes ud og få metaldråber ud, hvilket danner stænk, og smeltebadet omkring nøglehullet ikke let kan kollapse og involvere gas. Selv hvis fremmedlegemer brændes under svejseprocessen, og gasser frigives eksplosivt, er et større nøglehul mere befordrende for frigivelsen af eksplosive gasser og reducerer metalsprøjt og huller.
Som svar på ovenstående punkter har batteriproducenter og udstyrsproducenter i branchen gjort forskellige forsøg og praksisser: Fremstilling af lithiumbatterier er blevet udviklet i Japan i årtier, og relaterede fremstillingsteknologier har taget føringen.
I 2004, da fiberlaserteknologi endnu ikke var blevet bredt kommercielt anvendt, brugte Panasonic LD-halvlederlasere og pulslampepumpede YAG-lasere til blandet output (skemaet er vist i figuren nedenfor).
Skemadiagram over multilaserhybridsvejseteknologi og svejsehovedstruktur
Lyspletten med høj effekttæthed genereret af den pulserendeYAG-lasermed en lille plet bruges til at påvirke emnet for at generere svejsehuller for at opnå tilstrækkelig svejseindtrængning. Samtidig bruges LD-halvlederlaseren til at give en CW-kontinuerlig laser til at forvarme og svejse emnet. Smeltebadet 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 svejsesømmens porøsitet, som vist nedenfor.
Skematisk diagram over hybridlasersvejsning
Ved at anvende denne teknologi,YAG-lasereog LD-lasere med kun et par hundrede watt effekt kan bruges til at svejse tynde litiumbatterihuse 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 pulserede YAG-lasere i lasermetalbearbejdning på grund af deres mange fordele, såsom god strålekvalitet, høj fotoelektrisk konverteringseffektivitet, lang levetid, nem vedligeholdelse og høj effekt.
Derfor har laserkombinationen i ovenstående laserhybridsvejseløsning udviklet sig til en fiberlaser + LD-halvlederlaser, og laseren udsendes også koaksialt gennem et specielt processorhoved (svejsehovedet er vist i figur 7). Under svejseprocessen er laserens virkningsmekanisme den samme.
Komposit lasersvejseforbindelse
I denne plan er den pulserendeYAG-lasererstattes af en fiberlaser med bedre strålekvalitet, større effekt og kontinuerlig output, hvilket øger svejsehastigheden betydeligt og opnår bedre svejsekvalitet (svejseeffekten er vist i figur 8). Denne plan er derfor også foretrukket af nogle kunder. I øjeblikket er denne løsning blevet brugt i produktionen af svejsning af topdæksler til batterier og kan nå en svejsehastighed på 200 mm/s.
Udseende af topdækselsvejsning ved hybrid lasersvejsning
Selvom dobbeltbølgelængdelasersvejseløsningen løser svejsestabiliteten ved højhastighedssvejsning og opfylder svejsekvalitetskravene ved højhastighedssvejsning af battericelledæksler, 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 lasersvejseforbindelser med dobbeltbølgelængde, hvilket øger investeringsomkostningerne ved udstyret, øger vanskeligheden ved vedligeholdelse af udstyret og øger potentielle fejlpunkter for udstyret;
For det andet, dobbeltbølgelængdenlasersvejsningDen anvendte samling består af flere sæt linser (se figur 4). Effekttabet er større end ved almindelige svejsesamlinger, og linsens position skal justeres til den passende position for at sikre den koaksiale udgang fra dobbeltbølgelængdelaseren. Ved fokusering på et fast fokusplan og langvarig højhastighedsdrift kan linsens position blive løs, hvilket forårsager ændringer i den optiske bane og påvirker svejsekvaliteten, hvilket kræver manuel justering.
For det tredje er laserrefleksionen 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 let kan forårsage en laseralarm, og procesparametrene skal justeres for at kunne reparere.
For at løse ovenstående problemer er vi nødt til at finde en anden måde at udforske på. I 2017-2018 studerede vi højfrekvente svingningerlasersvejsningteknologien bag batteriets topdæksel og promoverede den til produktionsanvendelse. Laserstråle-højfrekvent svingsvejsning (herefter benævnt svingsvejsning) er en anden nuværende højhastighedssvejseproces på 200 mm/s.
Sammenlignet med hybridlasersvejseløsningen 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 ændre svejsetværsnittet. Fås i forskellige former og størrelser.
Svejsninger opnået under forskellige svingbaner
Højfrekvente svinghovedet drives af en lineær motor, der svejser 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. Drevet af svinghovedet svinger strålens plet dog med høj hastighed på fokusplanet og danner et dynamisk og roterende svejsenøglehul, som kan opnå et passende forhold mellem svejsedybde og -bredde;
Det roterende svejsenøglehul rører svejsningen. På den ene side hjælper det gassen med at slippe ud og reducerer svejseporerne, og har en vis effekt på reparation af små huller i svejseeksplosionspunktet (se figur 12). På den anden side opvarmes og afkøles svejsemetallet på en ordnet måde. Cirkulationen får svejseoverfladen til at fremstå som et regelmæssigt og ordnet fiskeskælsmønster.
Svingsvejsesømdannelse
Tilpasningsevne 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 injiceres i det dynamiske nøglehul, reduceres den eksterne spredte laser, så der kun kræves en mindre lasereffekt, og svejsevarmetilførslen er relativt lav (30 % mindre end kompositsvejsning), hvilket reducerer udstyrstab og energitab;
② Svingsvejsemetoden har høj tilpasningsevne til emnernes samlingskvalitet og reducerer defekter forårsaget af problemer som monteringstrin;
③Svingsvejsemetoden har en stærk reparationseffekt på svejsehuller, og udbyttet ved at bruge denne metode til at reparere svejsehuller i batterikerner er ekstremt højt;
④Systemet er simpelt, og udstyrets fejlfinding og vedligeholdelse er enkel.
3. 3.0-æraen inden for topdæksel-lasersvejseteknologi
Svejsehastighed 300 mm/s
I takt med at nye energitilskud fortsætter med at falde, er næsten hele batteriindustrien faldet i et rødt hav. Industrien er også gået ind i en omstruktureringsperiode, og andelen af førende virksomheder med stordriftsfordele og teknologiske fordele er steget yderligere. Men samtidig vil "forbedring af kvaliteten, reduktion af omkostninger og øget effektivitet" blive hovedtemaet for mange virksomheder.
I en periode med lave eller ingen subsidier kan vi kun have en ekstra chance for at vinde i konkurrencen ved at opnå iterative teknologiske opgraderinger, højere produktionseffektivitet, reducere produktionsomkostningerne for et enkelt batteri og forbedre produktkvaliteten.
Han's Laser fortsætter med at investere i forskning i højhastighedssvejseteknologi til battericelledæksler. Ud over de mange procesmetoder, der er introduceret ovenfor, studerer virksomheden også avancerede teknologier såsom ringformet punktlasersvejseteknologi og galvanometerlasersvejseteknologi til battericelledæksler.
For yderligere at forbedre produktionseffektiviteten, udforske topdækselsvejsningsteknologi med en hastighed på 300 mm/s og højere. Han's Laser studerede scanning galvanometerlasersvejsningsforsegling i 2017-2018 og brød dermed over de tekniske vanskeligheder med vanskelig gasbeskyttelse af emnet under galvanometersvejsning og dårlig svejseoverfladeformning og opnåede 400-500 mm/s.lasersvejsningaf celledækslet. Svejsning tager kun 1 sekund for et 26148-batteri.
På grund af den høje effektivitet er det imidlertid ekstremt vanskeligt at udvikle støtteudstyr, der matcher effektiviteten, og udstyrets omkostninger er høje. Derfor blev der ikke udført yderligere kommerciel applikationsudvikling for denne løsning.
Med den videre udvikling affiberlaserteknologi, er der lanceret nye højtydende fiberlasere, der direkte kan udsende ringformede lyspletter. Denne type laser kan udsende punkt-ringlaserpletter gennem specielle flerlagsoptiske fibre, og pletformen og effektfordelingen kan justeres, som vist på figuren.
Svejsninger opnået under forskellige svingbaner
Ved justering kan laserens effekttæthedsfordeling laves til en spot-donut-tophat-form. Denne type laser kaldes Corona, som vist på figuren.
Justerbar laserstråle (henholdsvis: centerlys, centerlys + ringlys, ringlys, to ringlys)
I 2018 blev anvendelsen af flere lasere af denne type til svejsning af battericelledæksler af aluminium testet, og baseret på Corona-laseren blev forskning i 3.0-procesteknologiløsningen til lasersvejsning af battericelledæksler lanceret. Når Corona-laseren udfører punktring-mode output, svarer effekttæthedsfordelingskarakteristikaene for dens outputstråle til den sammensatte output fra en halvleder- + fiberlaser.
Under svejseprocessen danner centerpunktslyset med høj effekttæthed et nøglehul til dyb penetrationssvejsning for at opnå tilstrækkelig svejsepenetration (svarende til outputtet fra fiberlaseren i hybridsvejseløsningen), og ringlyset giver større varmetilførsel, forstørrer nøglehullet, reducerer påvirkningen af metaldamp og plasma på det flydende metal ved kanten af nøglehullet, reducerer det resulterende metalstænk og øger svejsningens termiske cyklustid, hvilket hjælper gassen i smeltebadet med at undslippe i længere tid og forbedrer stabiliteten af højhastighedssvejseprocesser (svarende til outputtet fra halvlederlasere i hybridsvejseløsninger).
I testen svejste vi tyndvæggede batterier og fandt, at svejsestørrelseskonsistensen var god, og proceskapaciteten CPK var god, som vist i figur 18.
Udseende af svejsning af batteridæksel med vægtykkelse 0,8 mm (svejsehastighed 300 mm/s)
Med hensyn til hardware er denne løsning, i modsætning til hybridsvejseløsningen, enkel og kræver ikke to lasere eller et specielt hybridsvejsehoved. Den kræver kun et almindeligt højtydende lasersvejsehoved (da kun én optisk fiber udsender en laser med én bølgelængde, er linsestrukturen enkel, der kræves ingen justering, og effekttabet er lavt), hvilket gør det nemt at fejlfinde og vedligeholde, og udstyrets stabilitet forbedres betydeligt.
Ud over det simple system i hardwareløsningen og opfyldelsen af kravene til højhastighedssvejseprocesser i battericelledækslet, har denne løsning andre fordele i procesapplikationer.
I testen svejsede vi batteridækslet med en høj hastighed på 300 mm/s og opnåede stadig gode svejsesømdannelseseffekter. Desuden kan der kun udføres god svejsning ved blot at justere laserudgangstilstanden for skaller med forskellige vægtykkelser på 0,4, 0,6 og 0,8 mm. For hybridsvejseløsninger med dobbeltbølgelængdelaser er det dog nødvendigt at ændre den optiske konfiguration af svejsehovedet eller laseren, hvilket vil medføre større udstyrsomkostninger og tidsomkostninger til fejlfinding.
Derfor er punktringen stedetlasersvejsningLøsningen kan ikke blot opnå ultrahurtig svejsning af topdæksler ved 300 mm/s og forbedre produktionseffektiviteten af batterier. For batteriproducenter, der har brug for hyppige modelskift, kan denne løsning også forbedre kvaliteten af udstyr og produkters kompatibilitet betydeligt, hvilket forkorter modelskift og fejlfindingstiden.
Udseende af svejsning af batteridæksel med vægtykkelse 0,4 mm (svejsehastighed 300 mm/s)
Udseende af svejsning af batteridæksel med vægtykkelse 0,6 mm (svejsehastighed 300 mm/s)
Corona-lasersvejsning med penetration til tyndvægget cellesvejsning – procesfunktioner
Ud over den ovennævnte Corona-laser har AMB-lasere og ARM-lasere lignende optiske udgangsegenskaber og kan bruges til at løse problemer som forbedring af lasersvejsesprøjt, forbedring af svejseoverfladekvaliteten og forbedring af svejsestabilitet ved høj hastighed.
4. Resumé
De forskellige ovennævnte løsninger anvendes alle i den faktiske produktion af indenlandske og udenlandske litiumbatteriproducenter. På grund af forskellige produktionstider og forskellige tekniske baggrunde anvendes forskellige procesløsninger i vid udstrækning i branchen, men virksomheder har højere krav til effektivitet og kvalitet. Det forbedres konstant, og flere nye teknologier vil snart blive anvendt af virksomheder i teknologiens spids.
Kinas nye energibatteriindustri startede relativt sent og har udviklet sig hurtigt drevet af nationale politikker. Relaterede teknologier har fortsat med at udvikle sig takket være en fælles indsats fra hele industrikæden og har i høj grad forkortet kløften til fremragende internationale virksomheder. Som en indenlandsk producent af litiumbatteriudstyr udforsker Maven også konstant sine egne fordele, hjælper med iterative opgraderinger af batteripakkeudstyr og leverer bedre løsninger til automatiseret produktion af nye energilagringsbatterimodulpakker.
Opslagstidspunkt: 19. september 2023
