01 Wprowadzenie
W obliczu przejścia światowego przemysłu motoryzacyjnego w kierunku elektryfikacji, akumulatory zasilające, jako główne źródło energii w pojazdach nowej generacji, decydują o konkurencyjności rynkowej pojazdów elektrycznych poprzez ich wydajność, bezpieczeństwo i koszt. Produkcja akumulatorów zasilających to złożony proces obejmujący wiedzę interdyscyplinarną, obejmującą inżynierię materiałową, elektrochemię i inżynierię precyzyjną. Wysokiej-technologia połączeń jest kluczowym ogniwem w tym procesie. Tradycyjne metody łączenia, takie jak zgrzewanie oporowe i zgrzewanie ultradźwiękowe, w coraz większym stopniu wykazują ograniczenia,-takie jak duże efekty termiczne, słaba konsystencja i wąskie okna parametrów procesu,-w obliczu zautomatyzowanej produkcji akumulatorów mocy na dużą skalę i obróbki materiałów o wysokiej przewodności cieplnej, takich jak miedź i aluminium. Technologia spawania laserowego, dzięki dużej gęstości energii, kontrolowanemu dopływowi ciepła,-bezkontaktowemu charakterowi i łatwości automatyzacji, spełnia rygorystyczne wymagania produkcji akumulatorów zasilających w zakresie precyzji, wydajności i niezawodności, a także stała się podstawowym procesem w całym przepływie pracy, od produkcji ogniw po montaż pakietu akumulatorów. Celem artykułu jest zilustrowanie konkretnych zastosowań technologii spawania laserowego na różnych etapach produkcji akumulatorów energetycznych oraz podsumowanie jej istotnej roli w promowaniu rozwoju branży akumulatorów energetycznych.
02 Zastosowanie na etapie produkcji ogniw akumulatorowych
Ogniwo akumulatorowe jest podstawową jednostką akumulatora zasilającego, a precyzja wykonania i uszczelnienie stanowią istotne gwarancje bezpieczeństwa i wydajności akumulatora. Spawanie laserowe stosowane jest głównie do precyzyjnego łączenia i końcowego uszczelniania ogniw akumulatorowych. Po pierwsze, w przypadku połączeń elektrycznych wewnątrz ogniwa akumulatora, wypustki są spawane laserowo. Po zakończeniu procesu nawijania lub układania należy mocno zespawać wypustki elektrody dodatniej (folia aluminiowa) i ujemnej (folia miedziana), które mogą składać się z kilkudziesięciu, a nawet kilkuset warstw, wraz z odbierakami prądu i utworzyć niezawodną ścieżkę elektryczną z zaciskami zewnętrznymi lub elementami łączącymi, jak pokazano na rysunku 1. Spawanie laserowe pozwala na natychmiastowe stopienie tych cienkich materiałów przy wyjątkowo krótkim czasie trwania impulsu, tworząc punkty spawania o niskiej rezystancji i dużej wytrzymałości. Jego zaletą jest minimalna-strefa wpływu ciepła, skutecznie zapobiegająca uszkodzeniom cieplnym sąsiednich separatorów i materiałów aktywnych, zachowując w ten sposób wydajność elektrochemiczną ogniwa akumulatora.
Po drugie, w końcowym etapie pakowania ogniw akumulatorowych, jedną ze skutecznych metod uzyskania hermetycznego uszczelnienia jest spawanie laserowe. Jednocześnie spawanie laserowe służy do łączenia górnej pokrywy i obudowy zarówno w przypadku akumulatorów z kwadratową aluminiową powłoką, jak i cylindrycznych akumulatorów ze stalową powłoką. Precyzyjnie kontrolując moc, prędkość i położenie ogniska lasera, na obudowie można utworzyć ciągłą, gładką i gęstą spoinę, skutecznie zapobiegając wyciekom elektrolitu i wnikaniu wilgoci z zewnątrz, zapewniając stabilność chemiczną ogniwa akumulatora przez cały okres jego użytkowania. W przypadku ogniw kieszeniowych w procesach zgrzewania górnego i bocznego stosuje się spawanie laserowe, zgrzewając wystające wypustki z łączącymi i ochronnymi elementami przejściowymi (zwykle z niklowanej-miedzi lub aluminium). Jego-bezkontaktowy charakter zapewnia skuteczność opakowania i brak uszkodzeń materiału opakowaniowego z folii aluminiowej-plastikowej, jak pokazano na rysunku 2.
03 Zastosowanie na etapie montażu modułów akumulatorowych i pakietów akumulatorów polega na integracji poszczególnych ogniw w moduły i pakiety akumulatorów, co wymaga dużej ilości połączeń elektrycznych i mocowań konstrukcyjnych. Jest to etap, w którym spawanie laserowe jest najbardziej skoncentrowane i stanowi wyzwanie techniczne. Jeśli chodzi o połączenia elektryczne, głównym zastosowaniem jest spawanie szeregowe i równoległe pomiędzy ogniwami. Łącząc szyny zbiorcze (zwykle aluminiowe lub miedziane) z zaciskami ogniwa, tworzony jest układ elektryczny całego pakietu akumulatorów.
Trudności w tym procesie wynikają z: 1) wyzwań związanych z charakterystyką materiału-miedź i aluminium mają wysoki współczynnik odbicia w stosunku do powszechnie używanych laserów na podczerwień i wysoką przewodność cieplną, co utrudnia spawanie; 2) łączenie różnych materiałów, np. połączenie miedzianych szyn zbiorczych z zaciskami aluminiowymi, które jest podatne na tworzenie kruchych związków międzymetalicznych (IMC), które wpływają na-długoterminową niezawodność połączenia. Aby sprostać tym wyzwaniom, w przemyśle opracowano zaawansowane procesy, takie jak oscylacyjne spawanie laserowe, spawanie hybrydowe (np. łuk-laserowy) oraz wykorzystanie laserów o nowej długości fali, takich jak lasery zielone i niebieskie. Technologie te skutecznie tłumią defekty, takie jak rozpryski i porowatość, oraz kontrolują grubość warstwy IMC poprzez rozszerzanie jeziorka stopionego, usprawnianie mieszania i zwiększanie absorpcji energii, uzyskując w ten sposób połączenia elektryczne. W przypadku połączeń konstrukcyjnych ważną rolę odgrywa również spawanie laserowe. Można go zastosować na przykład do elementów konstrukcyjnych takich jak płyty boczne i końcowe modułów mocujących ogniwa, a także do łączenia obudowy i pokrywy pakietu akumulatorów. W porównaniu z tradycyjnymi połączeniami śrubowymi lub nitowymi, spawanie laserowe pozwala osiągnąć wyższy stopień integracji i wytrzymałości konstrukcyjnej, co pomaga poprawić odporność akumulatora na wibracje i uderzenia. Ponadto drobne spawy w obwodach akwizycji czujników napięcia i temperatury w systemach zarządzania akumulatorami są coraz częściej wykonywane przy użyciu spawania laserowego, aby zapewnić{{13}długoterminową stabilność i niezawodność akwizycji sygnału.
04 PodsumowanieTechnologia spawania laserowego charakteryzująca się wysoką precyzją, szybkością i niezawodnością została zintegrowana na każdym etapie produkcji akumulatorów zasilających. Od zgrzewania zakładek ogniw w mikroskali po makroskalowe połączenia strukturalne pakietów akumulatorów, od hermetycznych opakowań zapewniających bezpieczeństwo ogniw po połączenia elektryczne o niskiej-oporności, które decydują o wydajności akumulatorów – spawanie laserowe odgrywa niezastąpioną podstawową rolę. Nie tylko skutecznie rozwiązuje wyzwania związane z przetwarzaniem trudnych--materiałów spawalniczych, takich jak miedź i aluminium, spełniając wymagania dotyczące wydajności i spójności zautomatyzowanej produkcji na dużą-skalę, ale także maksymalizuje ochronę wydajności elektrochemicznej akumulatora poprzez precyzyjną kontrolę ciepła spawania. Dojrzewanie i rozwój technologii spawania laserowego stały się kluczowym silnikiem technologicznym napędzającym wzrost gęstości energii akumulatorów, redukcję kosztów produkcji i poprawę parametrów bezpieczeństwa, zapewniając solidną podstawę produkcyjną dla szybkiego rozwoju globalnego przemysłu pojazdów wykorzystujących nowe źródła energii.
