激光在动力电池生产过程中的应用

作者：通快（中国）有限公司 鞠松

欢迎访问e展厅 展厅 4 激光切割机展厅 激光切割机, 激光切割机床, 激光加工机, 激光打孔机, ... 电动汽车是目前比较热的话题，它较传统汽车有着多方面的优势，尤其以噪音小和“碳排放”减少最为显著。但是，电动汽车由于现有工艺的某些技术问题，在生产过程中面临着很多瓶颈。作为动力源的电芯、电池模组是电动汽车的核心部件，它们的生产过程就存在很多的技术障碍。特别是在“量产化”的框架下，传统生产过程有着很大的瓶颈，比如说，生产设备的自动化程度，加工设备的稳定性，新工艺、新材料的特殊要求等。本文将探讨电芯、模组的生产和组装过程中的一个重要环节——激光焊接。 电芯生产过程中的激光应用 电池的发展历史已经有数十年甚至更久，但是新型、高能储电池的出现时间并不长，目前国内主流厂家都在研发和生产以磷酸铁锂为介质的铝壳电池。虽然外形、材料等在国内尚没有一个国标的尺寸，但是电芯的外壳多以铝材为主，其中主流厂家使用的铝材以1000系和3000系较多。使用铝材的一个主要原因是铝材相对较轻且成本比较低廉，适合于大众消费者接受，但是铝材在热加工领域却是属于比较“顽皮”的分子，也正因为如此，铝曾经被称为“贵族”金属。如今提炼和锻造已经不存在任何技术障碍，但是铝材的切割、焊接却依旧是技术难点。究其原因，主要是因为铝表面易形成一层氧化层，该氧化层与母材的物理性质相差甚远，会在做切割和焊接工艺时带来较多的技术问题。当然，铝材由于其合金的特性，在激光加工时也会造成很多复杂问题，比如说6000系的铝材由于含有镁、硅等元素，在进行激光加工时，不仅飞溅会非常剧烈，焊接表面也极其粗糙，还经常性在焊痕处留下裂纹，最终往往被很多工艺舍弃。 动力电池的电芯主流目前分三种类型，分别是方型铝壳、圆型铝壳以及被冠以“咖啡包”美名的软包电芯（见图1）。目前，在国内公路上行驶的一些电动小车内，这三种电池都有应用：比亚迪E6和K9电动车使用的是方型电池；以杭州万向为电芯供应商的一些电动车厂家使用其软包电池；上汽系某些电动车车型则使用曾经名噪一时的美国A123公司的圆型电芯。在此，就这三种不同电芯分别讨论与之相关的激光应用。 方型电池的焊接工艺最重要的工序是壳盖的封装，根据位置的不同分为顶盖（见图2）和底盖（见图3）的焊接。有些锂电池厂家由于生产的电池体积不大，采用了“拉深（Deep Drawn）”工艺制造电池壳，因此只需进行顶盖的焊接。用于动力电池的电芯由于遵循“轻便”的原则，所以除了采用较“轻”的铝材质外，还需要做得更“薄”，一般壳、盖、底基本都要求达到1.0毫米以下，主流厂家目前基本材料厚度均在0.8mm左右。 焊接方式主要分为侧焊（见图4）和顶焊（见图5），其中侧焊的主要好处是对电芯内部的影响较小，飞溅物不会轻易进入壳盖内侧。由于焊接后可能会导致凸起，这对后续工艺的装配会有些微影响，因此侧焊工艺对激光器的稳定性、材料的洁净度等要求极高。而顶焊工艺由于焊接在一个面上，对焊接设备集成要求比较低，量产化简单，但是也有两个不利的地方，一是焊接可能会有少许飞溅进入电芯内，二是壳体前段加工要求高会导致成本问题。 针对以上问题的处理方式，各厂家见仁见智，比如国际锂电巨头SBL（三星、博世），国内新能源新星公司ATL等都倾向于使用顶焊的工艺，而其他很多厂家都是以侧焊为主，目前国内主流的焊接设备开发厂家也是以侧焊作为主要方向。使用激光进行封口焊接所达到的效果非常好且效率极高。 铝材的焊接不是一朝一夕就能达到完美效果的，会面临焊痕表面的凸起问题、焊痕表面的气孔问题、焊接过程中的炸火问题、内部气泡问题等。 表面凸起是激光焊接的致命伤，很多应用由于此原因不得不停止或者想办法规避。很多电芯厂家在研发初期都会为此头疼，主要原因就是采用的光纤芯径过小或者激光能量设置过高导致。某些激光供应商鼓吹“光束质量越好，焊接效果越优秀”，这其实是一个错误理论。光束质量好适合于深熔焊接，即熔深较大的叠加（Overlap）焊接。专业的激光供应商会陪伴电池制造厂一起寻找出合适的参数，并控制住这一会影响电芯组装的重大问题。 关于炸火（也称飞溅，Splash）问题，引起炸火的因素很多，如材料的清洁度、材料本身的纯度、材料自身的特性等，而起决定性作用的则是激光器的稳定性。笔者在焊接铝、铜等材料的同时进行过高速摄像的录制，经过针对壳盖焊接工作的若干工作日的录制后，找到了一些较理想的控制炸火的焊接参数，应该说整个问题得到了有效的控制。 关于气孔、气泡等问题，笔者会继续在行业内的一些场合与大家进行交流。 电芯与电极连接 在过去，电芯与电极连接通常是使用超声波焊接方式来完成的。超声波在焊接“箔材”有一定的优势，但是它效率低下和集成性差，亟需一种新型的焊接方式来取代，激光焊接，特别是高功率的连续型激光焊接就是很好的选择。其基本的焊接过程是将“箔材”通过一些处理方法“压固”后再焊接到作为电极的“板材”上。 极片的切割 激光在方型电池电芯的生产过程中还有很多应用，比如注液孔、防爆阀等的焊接以及极片的切割。目前国内的主流厂家（包括传统的小型锂电池厂家），基本都是使用机械（刀片）切割极片的。刀具切割有着很多的问题，像变形、含锂层的脱落、刀具损耗的成本问题等。其实，在电池生产工艺较先进的日本，早就在尝试使用激光进行切割。笔者也进行过多次类似的实验，在此也与大家分享一下（见图6、图7）。 极片的切割主要有三道工序，分条、分割和切极耳（即“长城”形状）。这三段工序由于各自的几何形状、切割连续性有差异，存在着不同的焊接要求，焊接难度也不一样：分条（Slitting）切割较简单，可以使用高功率连续激光器高速度地进行工作，实验证明效果非常不错；分割与分条类似，但是切割方向与极片“卷材”垂直，因此要求较高，不过目前实验情况也很理想，不存在技术障碍；极耳的切割要求相对更高，特别是对激光能量的稳定性存在极其严苛的要求，很多电池企业因此并未涉及此工艺。当然，激光切割也存在局限性，比如在能量控制不稳情况下出现的“锂层”的熔融、激光切割质量与效率之间的矛盾等都是限制激光大规模应用的重要原因。但是，相信在众多电池厂家和专业激光供应商的共同努力下，激光切割也一定能在国内电芯制造领域扮演重要角色。 软包电芯和圆型电芯 前文有提到，电芯除了方型电池还有二种——软包电芯和圆型电芯。其中，圆形电芯与方型电芯的激光应用基本一致，不同的是在焊接顶盖和底盖时更适合量产化的集成。这时因为在“侧焊”时，圆型外壳正好可以贴合运动轨迹，不会碰到“拐角”。传统电池厂家SAFT、Maxwell，还有大型动力电池生产厂家A123都是圆型电池的重要生产者。不过，圆型电池由于其后续集成的难度也让很多国内的电芯厂家望而生畏，并不是目前最主流的产品形式。至于软包电池，其电芯的激光应用较小，主要以极片切割和电芯与电极之间的焊接为主，因此与方型电池相关应用类似，不再细说。 电池及电动汽车其他零部件 电池从初期到成品的整个过程，共有四大工序，依次电池单元、电池模组、电池模块和电芯（见图8）。激光在这里的应用主要是指汇流片的连接、模块及模组的封装焊接等。虽然这些应用和普通的钣金焊接类似，但是由于“电池”行业对材料的要求较高，紫铜、铝材等的激光焊接加工工艺是一个很系统的议题，由于篇幅的限制，在此不再赘述，另外，对于电动汽车其他相关零部件的制造来说，激光焊接也是非常重要的工序，比如电动马达的引出端子（铜材焊接）、电池模组的散热装置等。 在电动汽车领域，激光焊接影响和决定着整个产品的品质和产量。激光焊接的效率和质量就是电动汽车的生产力。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/13/2013)