新型電池制造中的激光焊接技術(shù)

電池制造業(yè)日益成為21世紀(jì)制造業(yè)中最大的新挑戰(zhàn)。雖然全球電池年生產(chǎn)量已達(dá)數(shù)百億件，但傳統(tǒng)的電池制造技術(shù)在電池效果和成本預(yù)算方面，已不能滿足飛速增長的電池應(yīng)用范圍。我們大多數(shù)人已經(jīng)非常清楚，電池應(yīng)用在混合動力汽車、插電式混合動力汽車以及全電動汽車中。雖然電池在汽車行業(yè)的應(yīng)用褒貶不一，但還是阻擋不了人們對這個行業(yè)的投資熱情?！睹绹鴱?fù)蘇與再投資法案》（ARRA或AR2）中提到，要向那些在美國投資生產(chǎn)電池的公司注入上千萬美元的資金。借用美國能源部長朱棣文（Steven Chu）的話說，“這些都是非常有效的投資，未來會帶給我們許多倍的回報，主要體現(xiàn)在：創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會，減少對外國石油的依賴，令我們呼吸的空氣更加清潔，以及對抗氣候變化帶來的影響。”

除了在汽車行業(yè)的應(yīng)用之外，成本經(jīng)濟(jì)、具有高性能的電池在電力和替代能源業(yè)應(yīng)用方面也非常有吸引力。廣泛安裝的住宅電池存儲可提供負(fù)載級別的電力需求，以及緊急后備電源。這種分布式能源存儲解決方案還可以提高電力生產(chǎn)基地的生產(chǎn)效率，抵消部分需求，用來投資、改善一些大型電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。而且，電能儲存有利于充分發(fā)揮不穩(wěn)定的替代能源的優(yōu)勢，比如太陽能和風(fēng)力發(fā)電。此外，經(jīng)濟(jì)且高性能的電池技術(shù)也將有助于減少電網(wǎng)擴(kuò)張的成本。

如今，“高性能和經(jīng)濟(jì)性”應(yīng)該被用來清晰地描述和認(rèn)可電池在幫助我們解決能源挑戰(zhàn)中所扮演的英雄角色。盡管到目前為止進(jìn)行了大量集中的開發(fā)工作，新開發(fā)出來的電池技術(shù)和以前成熟的舊技術(shù)（如用于電筒、照相機(jī)和電腦的電池）相比，還稍顯稚嫩。因為現(xiàn)在市場上對電池應(yīng)用的能量儲存和電池壽命的要求更高，對電池的重量和成本要求更低，制造過程中的挑戰(zhàn)仍在解決中。許多很有前景的電池解決方案只存在于理論上的CAD圖形設(shè)計中，而這種設(shè)計方式已經(jīng)和現(xiàn)有制造技術(shù)所面臨的能力和限制相脫節(jié)。換而言之，設(shè)計人員和生產(chǎn)制造人員之間需要進(jìn)行更多的溝通！我們將會幫助他們。

在上述行業(yè)應(yīng)用的眾多電池技術(shù)中，還沒有出現(xiàn)公認(rèn)的或很明顯的獲勝者。鋰離子、鎳金屬氫化物、鋅空氣、鈉、硫和許多其它電池化學(xué)材料互相競相，以滿足各種應(yīng)用領(lǐng)域的多種需求。而且對于給定的電池品種，也會有很多不同的產(chǎn)品外形變化，從而可能導(dǎo)致不同的制造方法。新型電池多是圓柱或平面設(shè)計。電池單元被堆疊，包裝起來，或者陣列起來，使獨立的單元被合并為串聯(lián)和并聯(lián)的電路。單元和單元之間的連接可能涉及到相似的或不同的金屬材料，有兩個或兩個以上不同的分層。盡管設(shè)計存在多樣性，但在所有這些電池設(shè)計概念中，都有一個共同點不斷出現(xiàn)。這項共同的挑戰(zhàn)就是需要將越來越薄的各種金屬材料以更快的速度連接起來，而這正是激光的應(yīng)用領(lǐng)域。

電池通常都包含許多種材料，比如鋅、鋼、鋁、銅、鈦、鎳等。這些金屬可能被制成電極、導(dǎo)線，或僅僅是外殼。他們有可能被或者不被另一種金屬或者電池材料覆蓋。但是，不管他們由什么組成，基于重量和成本最小化的考慮，它們都應(yīng)該盡可能地薄。許多新興的電池設(shè)計材料厚度范圍在25到250微米之間。焊接這些金屬的兩個主要的要求包括創(chuàng)造出電流傳導(dǎo)路徑和/或能夠儲存電解質(zhì)，但對于每個電池的設(shè)計和應(yīng)用來說，電池焊接的完整性能規(guī)格是獨一無二的。導(dǎo)電性、強(qiáng)度、氣密性、金屬疲勞和耐腐蝕性能是典型的焊接質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)。然后，在所有這些標(biāo)準(zhǔn)都被確定和實現(xiàn)之后，關(guān)鍵的決定因素是其成本是否經(jīng)濟(jì)。

圖1、鍍鎳鋼制薄片的搭焊

電池焊接設(shè)計對制造過程的成功起著關(guān)鍵作用。角焊和對焊往往對設(shè)計師來說很有吸引力，但搭焊是目前為止最有可能成功的。搭焊相比于其他兩種焊接手段，能提供更多靈活性，這主要得益于其無需實現(xiàn)其它焊接手段所要求的精密節(jié)點到梁端的對齊。搭焊同時也為最終的整合任務(wù)提供了焊接多層電池組件的可能性（見圖1），這一過程有可能涉及到一種或多種材料類型。例如，某種同一類型金屬可能需要被精確焊接到另一類型的導(dǎo)體上。可以采用的焊接手段目前已經(jīng)有許多種，并且還在迅速地發(fā)展。

圖2、混合金屬焊接：Cu-Al, Ni-Al, Ni-Ti-Ni

串聯(lián)電氣連接和巴斯（BUSS）連接通常要求連接非同類的金屬。正是在這個領(lǐng)域，激光焊接所特有的高速（100至1000毫米/秒）是其他焊接技術(shù)所不能匹敵的。高亮度光纖激光器進(jìn)一步推動了高速焊接，在焊縫處可實現(xiàn)低熱輸入和高凝固速度。這種高的冷卻速度能有效控制發(fā)生在混合金屬焊接中的凝固缺陷。最容易產(chǎn)生裂紋的焊縫金屬組合是銅與鋁，這也恰巧是在鋰離子電池中最常用的金屬組合之一。高速光纖激光焊接在這一重要的金屬焊接工藝中，表現(xiàn)出了無裂紋焊接的特性。其它一些需要用到或不常見的金屬組合同樣也可以利用激光焊接完成，特別是當(dāng)凝固速度很高的時候（參見圖2）。最后，只要這些焊縫金屬組合是能夠?qū)崿F(xiàn)的，其至關(guān)重要的一點是評估他們在預(yù)期電池應(yīng)用中的表現(xiàn)能力（尤其是強(qiáng)度、韌性、金屬疲勞和耐腐蝕方面）。

也許有人會覺得，這種充滿吸引力的制造工藝優(yōu)勢和機(jī)會的結(jié)合一定伴隨著負(fù)面因素。第一個不利的因素就是這些獨一無二的激光焊接應(yīng)用對電池設(shè)計師們來說是比較陌生的。因而，“激光友好”焊接設(shè)計并不常常作為首選。另外，如果考慮運用激光焊接技術(shù)，那些經(jīng)常出現(xiàn)的、尚未解決的問題就會浮現(xiàn)出來——焊縫的性能究竟如何？電池行業(yè)似乎更愿意快速投入到值得信賴的制造產(chǎn)能上，簡單來看，社團(tuán)方面也沒有時間、資源或耐心來評估、研發(fā)和實施新興的替代解決方案。

有一種公認(rèn)的、被頻繁運用的激光焊接解決方案是基于振鏡掃描的激光焊接。這種“遠(yuǎn)程焊接”技術(shù)在廣闊的激光焊接世界中并非特別新穎，但在掃描頭和激光性能上的改進(jìn)，正讓它越來越受到廣泛關(guān)注。功率日益增加的高功率光纖激光器發(fā)射出幾乎完美的光束，現(xiàn)在可以在焊接加工的極限速度內(nèi)被完全充分利用，而且限制了其他焊接運動系統(tǒng)的加速問題并未對其產(chǎn)生影響。該光束質(zhì)量還保證了更大的視覺范圍、更長的運行時間和更多地入射角，能在許多電池焊接配置中用來同時完成多個焊點的焊接（參見圖3）。

圖3、振鏡掃描激光焊接適用于許多電池配件的制造

其他有關(guān)高速振鏡掃描激光焊接的進(jìn)步還包括新興的“飛行光路”焊接技術(shù)。在這個案例中，需要達(dá)到的廣闊的覆蓋區(qū)域、高焊接速度和非常高的加速度等都能通過精準(zhǔn)的同步掃描軸（A, B）和互相垂直的機(jī)械運動方向（X, Y）來實現(xiàn)。EWI公司使用了一個標(biāo)準(zhǔn)的Scanlab掃描頭和Aerotech公司生產(chǎn)的beta版CNC軟件及硬件，開發(fā)并證明了這項技術(shù)的可行性。這種高性能的激光焊接解決方案（見圖4）目前正用于電池焊接以及燃料電池焊接工藝發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)中。

圖4、飛行光路，同步X-Y-A-B振鏡掃描焊接

最后一個激光電池焊接難題是加工的穩(wěn)定性和質(zhì)量保證方面?；诩す夂附拥母咚俣群挽`活性，制造過程的成功還要依賴于整個系統(tǒng)中其它機(jī)械配件的性能，來快速實現(xiàn)良好的焊縫。這是一個非常艱巨的任務(wù)，特別是考慮到焊接的小尺寸和高速度，以及在電池生產(chǎn)所需完成的焊縫數(shù)量巨大。同時，考慮到在最終電池封裝中要求的焊接數(shù)量，6西格瑪?shù)燃壍暮附淤|(zhì)量還是不夠的，需要達(dá)到更高的質(zhì)量水平。對于這些主要挑戰(zhàn)（工藝路線和焊接質(zhì)量保證）的解決，大多是通過高速圖像采集和分析來獲得。其中的一些方法已經(jīng)在一些更低速度的激光焊接應(yīng)用中嘗試了，但是需要進(jìn)一步提高速度和精確性，這也是在電池制造業(yè)中充分發(fā)揮激光焊接潛力的保證。

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