Литијумске батерије са квадратним алуминијумским кућиштем имају многе предности као што су једноставна структура, добра отпорност на ударце, висока густина енергије и велики капацитет ћелија. Оне су одувек биле главни правац домаће производње и развоја литијумских батерија, чинећи више од 40% тржишта.
Структура квадратне алуминијумске литијумске батерије је приказана на слици, која се састоји од језгра батерије (позитивних и негативних електродних листова, сепаратора), електролита, љуске, горњег поклопца и других компоненти.
Структура литијумске батерије са квадратним алуминијумским кућиштем
Током процеса производње и монтаже литијумских батерија са квадратним алуминијумским кућиштем, велики бројласерско заваривањепотребни су процеси, као што су: заваривање меких спојева батеријских ћелија и поклопних плоча, заваривање заптивања поклопних плоча, заваривање заптивних ексера итд. Ласерско заваривање је главна метода заваривања призматичних батерија. Због високе густине енергије, добре стабилности снаге, високе прецизности заваривања, једноставне систематске интеграције и многих других предности,ласерско заваривањеје незаменљив у процесу производње призматичних алуминијумских литијумских батерија. улога.
Maven 4-осна аутоматска галванометарска платформамашина за заваривање влакнима са ласерским влакнима
Заварски шав горњег поклопца је најдужи заварски шав код квадратне алуминијумске батерије, а такође је и заварски шав који се најдуже заварује. Последњих година, индустрија производње литијумских батерија се брзо развијала, а технологија процеса ласерског заваривања горњег поклопца и технологија његове опреме су се такође брзо развијале. На основу различитих брзина заваривања и перформанси опреме, грубо делимо опрему и процесе ласерског заваривања горњег поклопца у три ере. То су ера 1.0 (2015-2017) са брзином заваривања <100 мм/с, ера 2.0 (2017-2018) са 100-200 мм/с и ера 3.0 (2019-) са 200-300 мм/с. У наставку ћемо представити развој технологије кроз време:
1. Ера 1.0 технологије ласерског заваривања горњег поклопца
Брзина заваривања<100 мм/с
Од 2015. до 2017. године, домаћа возила са новим изворима енергије почела су да се експлодирају, вођена политикама, а индустрија батерија је почела да се шири. Међутим, акумулација технологије и резерве талената домаћих предузећа су и даље релативно мале. Повезани процеси производње батерија и технологије опреме су такође у повоју, а степен аутоматизације опреме је релативно низак, произвођачи опреме су тек почели да обраћају пажњу на производњу батерија и повећавају улагања у истраживање и развој. У овој фази, захтеви индустрије за ефикасност производње опреме за ласерско заптивање квадратних батерија су обично 6-10 ППМ. Решење опреме обично користи влакнасти ласер од 1 kW за емитовање кроз обичан...глава за ласерско заваривање(као што је приказано на слици), а глава за заваривање се покреће серво платформским мотором или линеарним мотором. Кретање и заваривање, брзина заваривања 50-100 мм/с.
Коришћење ласера од 1 kW за заваривање горњег поклопца језгра батерије
Уласерско заваривањеПроцес, због релативно мале брзине заваривања и релативно дугог термичког циклуса завара, растопљени слој има довољно времена да тече и стврдне, а заштитни гас може боље да покрије растопљени слој, што олакшава добијање глатке и пуне површине, заварених спојева са добром конзистенцијом, као што је приказано испод.
Формирање заварног шава за заваривање горњег поклопца малом брзином
Што се тиче опреме, иако ефикасност производње није висока, структура опреме је релативно једноставна, стабилност је добра, а трошкови опреме су ниски, што добро задовољава потребе развоја индустрије у овој фази и поставља темеље за каснији технолошки развој.
Иако заваривање горњим поклопцем са заптивањем ере 1.0 има предности једноставног решења опреме, ниске цене и добре стабилности. Међутим, његова инхерентна ограничења су такође веома очигледна. Што се тиче опреме, капацитет погонског мотора не може да задовољи потребе за даљим повећањем брзине; што се тиче технологије, једноставно повећање брзине заваривања и излазне снаге ласера ради даљег убрзања изазвало би нестабилност у процесу заваривања и смањење приноса: повећање брзине скраћује време термичког циклуса заваривања, а метал... Процес топљења је интензивнији, прскање се повећава, прилагодљивост нечистоћама ће бити лошија, а већа је вероватноћа стварања рупа од прскања. Истовремено, време очвршћавања растопљеног базена се скраћује, што ће довести до тога да површина завара буде храпава, а конзистенција смањена. Када је ласерска тачка мала, унос топлоте није велики и прскање се може смањити, али је однос дубине и ширине завара велики, а ширина завара није довољна; када је ласерска тачка велика, потребна је већа снага ласера да би се повећала ширина завара. Велико, али истовремено ће довести до повећаног прскања при заваривању и лошег квалитета обликовања површине завара. На техничком нивоу у овој фази, даље убрзање значи да се принос мора заменити ефикасношћу, а захтеви за надоградњу опреме и процесне технологије постали су захтеви индустрије.
2. Ера 2.0 горњег поклопцаласерско заваривањетехнологија
Брзина заваривања 200 мм/с
У 2016. години, инсталирани капацитет аутомобилских батерија у Кини био је приближно 30,8 GWh, у 2017. години био је приближно 36 GWh, а у 2018. години дошло је до даље експлозије, инсталирани капацитет је достигао 57 GWh, што је повећање од 57% у односу на претходну годину. Нова енергетска путничка возила такође су произвела скоро милион, што је повећање од 80,7% у односу на претходну годину. Иза експлозије инсталираног капацитета стоји ослобађање производних капацитета литијумских батерија. Нова енергетска батерија за путничка возила чине више од 50% инсталираног капацитета, што такође значи да ће захтеви индустрије за перформансе и квалитет батерија постати све строжи, а пратећа побољшања у технологији производне опреме и процесне технологије такође су ушла у нову еру: да би се испунили захтеви за производним капацитетом једне линије, производни капацитет опреме за ласерско заваривање горњег поклопца мора се повећати на 15-20 ppm.ласерско заваривањеБрзина треба да достигне 150-200 мм/с. Стога, у погледу погонских мотора, различити произвођачи опреме су... Платформа линеарних мотора је надограђена тако да њен механизам кретања испуњава захтеве перформанси кретања за правоугаону путању заваривања са равномерном брзином од 200 мм/с; међутим, како осигурати квалитет заваривања при брзом заваривању захтева даља открића у процесу, а компаније у индустрији су спровеле многа истраживања и студије: У поређењу са ером 1.0, проблем са којим се суочава брзо заваривање у ери 2.0 је: коришћење обичних влакнастих ласера за емитовање тачкастог извора светлости кроз обичне главе за заваривање, избор је тежак да би се испунио захтев од 200 мм/с.
У оригиналном техничком решењу, ефекат обликовања заваривања може се контролисати само конфигурисањем опција, подешавањем величине тачке и подешавањем основних параметара као што је снага ласера: када се користи конфигурација са мањом тачком, отвор заваривачког базена ће бити мали, облик базена ће бити нестабилан, а заваривање ће постати нестабилно. Ширина спајања шава је такође релативно мала; када се користи конфигурација са већом светлосном тачком, отвор за кључ ће се повећати, али ће се снага заваривања значајно повећати, а брзина прскања и експлозије ће се значајно повећати.
Теоретски, ако желите да осигурате ефекат формирања завара велике брзинеласерско заваривањегорњег поклопца, морате испунити следеће захтеве:
① Заварени шав има довољну ширину и однос дубине и ширине завареног шава је одговарајући, што захтева да опсег топлотног деловања извора светлости буде довољно велики и да енергија линије заваривања буде у разумном опсегу;
② Завар је гладак, што захтева да време термичког циклуса завара буде довољно дуго током процеса заваривања како би растопљени базен имао довољну флуидност, а завар се стврднуо у глатки метални завар под заштитом заштитног гаса;
③ Заварски шав има добру конзистенцију и мало пора и рупа. То захтева да током процеса заваривања ласер стабилно делује на радни предмет, а плазма високоенергетског снопа се континуирано генерише и делује на унутрашњост растопљеног базена. Растопљени базен ствара „рупу“ под дејством силе реакције плазме. „Рупа“, рупица је довољно велика и стабилна, тако да генерисана метална пара и плазма не могу лако да се избаце и избаце капљице метала, формирајући прскање, а растопљени базен око рупице се не може лако урушити и укључити гас. Чак и ако страни предмети сагоревају током процеса заваривања и гасови се експлозивно ослобађају, већа рупица је погоднија за ослобађање експлозивних гасова и смањује прскање метала и стварање рупа.
Као одговор на горе наведене тачке, компаније за производњу батерија и компаније за производњу опреме у индустрији су предузеле различите покушаје и праксе: Производња литијумских батерија се развија у Јапану деценијама, а повезане производне технологије су преузеле водећу улогу.
Године 2004, када технологија влакнастих ласера још није била широко комерцијално примењена, Панасоник је користио LD полупроводничке ласере и YAG ласере пумпане импулсном лампом за мешовити излаз (шема је приказана на слици испод).
Шема мултиласерске хибридне технологије заваривања и структуре главе за заваривање
Светлосна тачка велике густине снаге коју генерише импулсноYAG ласерса малом тачком која делује на радни предмет како би се генерисали отвори за заваривање и постигла довољна пенетрација заваривања. Истовремено, ЛД полупроводнички ласер се користи за обезбеђивање континуираног ЦВ ласера за претходно загревање и заваривање радног предмета. Растопљени базен током процеса заваривања обезбеђује више енергије за добијање већих отвора за заваривање, повећање ширине завареног шава и продужење времена затварања отвора за заваривање, помажући гасу из растопљеног базена да изађе и смањи порозност завареног шава, као што је приказано испод.
Шематски дијаграм хибридаласерско заваривање
Применом ове технологије,YAG ласерии ЛД ласери са само неколико стотина вати снаге могу се користити за заваривање танких кућишта литијумских батерија великом брзином од 80 мм/с. Ефекат заваривања је приказан на слици.
Морфологија завара под различитим параметрима процеса
Са развојем и успоном влакнастих ласера, влакнасти ласери су постепено заменили импулсне YAG ласере у ласерској обради метала због својих бројних предности као што су добар квалитет снопа, висока ефикасност фотоелектричне конверзије, дуг век трајања, лако одржавање и велика снага.
Стога је ласерска комбинација у горе поменутом решењу за хибридно ласерско заваривање еволуирала у влакнасти ласер + ЛД полупроводнички ласер, а ласер се такође коаксијално емитује кроз посебну главу за обраду (глава за заваривање је приказана на слици 7). Током процеса заваривања, механизам деловања ласера је исти.
Композитни спој ласерског заваривања
У овом плану, пулсирајућиYAG ласерзамењује се влакнастим ласером са бољим квалитетом снопа, већом снагом и континуираним излазом, што значајно повећава брзину заваривања и постиже бољи квалитет заваривања (ефекат заваривања је приказан на слици 8). Овај план такође стога фаворизују неки купци. Тренутно се ово решење користи у производњи заптивача горњег поклопца батерија и може достићи брзину заваривања од 200 мм/с.
Изглед завара горњег поклопца хибридним ласерским заваривањем
Иако решење за ласерско заваривање са две таласне дужине решава стабилност завара код брзог заваривања и испуњава захтеве квалитета завара код брзог заваривања горњих поклопаца батеријских ћелија, и даље постоје неки проблеми са овим решењем са становишта опреме и процеса.
Пре свега, хардверске компоненте овог решења су релативно сложене, захтевајући употребу два различита типа ласера и посебних ласерских заварених спојева са двоструком таласном дужином, што повећава трошкове улагања у опрему, повећава тешкоћу одржавања опреме и повећава потенцијалне тачке квара опреме;
Друго, двострука таласна дужиналасерско заваривањеКоришћени спој се састоји од више комплета сочива (видети слику 4). Губитак снаге је већи него код обичних заварених спојева, а положај сочива треба подесити на одговарајући положај како би се осигурао коаксијални излаз ласера са двоструком таласном дужином. А фокусирање на фиксну жижну раван, дуготрајан рад велике брзине, може довести до лабавог положаја сочива, што може довести до промена у оптичкој путањи и утицати на квалитет заваривања, захтевајући ручно поновно подешавање;
Треће, током заваривања, ласерска рефлексија је јака и може лако оштетити опрему и компоненте. Посебно приликом поправке неисправних производа, глатка површина завара рефлектује велику количину ласерске светлости, што може лако изазвати ласерски аларм, а параметри обраде морају бити прилагођени за поправку.
Да бисмо решили горе наведене проблеме, морамо пронаћи други начин истраживања. У периоду 2017-2018. проучавали смо високофреквентни замахласерско заваривањетехнологија горњег поклопца батерије и унапређење њене производне примене. Ласерско заваривање високе фреквенције са замахом (у даљем тексту: заваривање са замахом) је још један актуелни процес заваривања великом брзином од 200 мм/с.
У поређењу са хибридним решењем за ласерско заваривање, хардверски део овог решења захтева само обичан влакнасти ласер повезан са осцилирајућом главом за ласерско заваривање.
клацајућа глава за заваривање
Унутар главе за заваривање налази се рефлектујуће сочиво са моторним погоном, које се може програмирати да контролише осциловање ласера у складу са пројектованим типом путање (обично кружна, у облику слова S, у облику слова 8 итд.), амплитудом осциловања и фреквенцијом. Различити параметри осциловања могу учинити да попречни пресек заваривања буде различитих облика и величина.
Завари добијени под различитим путањама замаха
Високофреквентна глава за заваривање са окретањем покреће се линеарним мотором како би заваривала дуж размака између радних предмета. У складу са дебљином зида ћелијске љуске, бира се одговарајући тип путање и амплитуда замаха. Током заваривања, статички ласерски сноп ће формирати само попречни пресек завара у облику слова V. Међутим, покретана главом за заваривање са окретањем, тачка снопа се окреће великом брзином на фокалној равни, формирајући динамичну и ротирајућу рупу за заваривање, што може довести до одговарајућег односа дубине и ширине завара;
Ротирајућа кључаоница за заваривање помера завар. С једне стране, помаже изласку гаса и смањује поре завара, а има и одређени ефекат на поправку рупица у месту експлозије завара (видети слику 12). С друге стране, метал завара се загрева и хлади на уредан начин. Циркулација чини да површина завара изгледа као правилан и уредан образац рибље крљушти.
Формирање шава за завијање
Прилагодљивост завара контаминацији боје под различитим параметрима осцилације
Горе наведене тачке испуњавају три основна захтева квалитета за брзо заваривање горњег поклопца. Ово решење има и друге предности:
① Пошто се већина снаге ласера убризгава у динамичку кључаоницу, смањује се спољашњи расејани ласер, тако да је потребна само мања снага ласера, а унос топлоте заваривања је релативно низак (30% мањи од композитног заваривања), што смањује губитак опреме и губитак енергије;
② Метода заваривања са замахом има високу прилагодљивост квалитету склапања радних предмета и смањује недостатке изазване проблемима као што су кораци склапања;
③Метода заваривања са замахом има снажан ефекат поправке заварених рупа, а стопа приноса коришћења ове методе за поправку заварених рупа језгра батерије је изузетно висока;
④Систем је једноставан, а отклањање грешака и одржавање опреме су једноставни.
3. Ера 3.0 технологије ласерског заваривања горњег поклопца
Брзина заваривања 300 мм/с
Како нове субвенције за енергију настављају да опадају, готово цео индустријски ланац индустрије производње батерија је упао у црвено море. Индустрија је такође ушла у период реструктурирања, а удео водећих компанија са предностима обима и технологије је додатно порастао. Али истовремено, „побољшање квалитета, смањење трошкова и повећање ефикасности“ постаће главна тема многих компанија.
У периоду ниских или никаквих субвенција, само постизањем итеративних надоградњи технологије, постизањем веће ефикасности производње, смањењем трошкова производње једне батерије и побољшањем квалитета производа можемо имати додатне шансе за победу у конкуренцији.
Ханов ласер наставља да улаже у истраживање технологије брзог заваривања горњих поклопаца батеријских ћелија. Поред неколико горе представљених метода процеса, такође проучава напредне технологије као што су технологија прстенастог тачкастог ласерског заваривања и технологија галванометрског ласерског заваривања горњих поклопаца батеријских ћелија.
Ради даљег побољшања ефикасности производње, истраживати технологију заваривања горњег поклопца брзином од 300 мм/с и већом. Ханов ласер је проучавао заптивање скенирајућим галванометрским ласерским заваривањем током 2017-2018, превазилазећи техничке потешкоће тешке заштите гасом радног предмета током галванометрског заваривања и лошег ефекта обликовања површине завара, и постижући 400-500 мм/с.ласерско заваривањегорњег поклопца ћелије. Заваривање траје само 1 секунду за батерију 26148.
Међутим, због високе ефикасности, изузетно је тешко развити пратећу опрему која одговара тој ефикасности, а трошкови опреме су високи. Стога, за ово решење није спроведен даљи развој комерцијалне примене.
Са даљим развојемвлакнасти ласертехнологијом, лансирани су нови високоенергетски влакнасти ласери који могу директно да емитују светлосне тачке у облику прстена. Ова врста ласера може да емитује тачкасте прстенасте ласерске тачке кроз посебна вишеслојна оптичка влакна, а облик тачке и расподела снаге могу се подесити, као што је приказано на слици
Завари добијени под различитим путањама замаха
Подешавањем, расподела густине снаге ласера може се обликовати у облику тачке-крофне-шешира. Ова врста ласера се назива Корона, као што је приказано на слици.
Подесиви ласерски сноп (респективно: централно светло, централно светло + прстенасто светло, прстенасто светло, два прстенаста светла)
У 2018. години тестирана је примена вишеструких ласера овог типа у заваривању горњих поклопаца батеријских ћелија од алуминијумског кућишта, и на основу Corona ласера покренуто је истраживање решења процесне технологије 3.0 за ласерско заваривање горњих поклопаца батеријских ћелија. Када Corona ласер изводи излаз у режиму тачкастог прстена, карактеристике расподеле густине снаге његовог излазног снопа су сличне композитном излазу полупроводничког + влакнастог ласера.
Током процеса заваривања, централна тачкаста светлост са високом густином снаге формира отвор за дубоко продирање заваривања како би се постигла довољна пенетрација заваривања (слично излазу влакнастог ласера у хибридном решењу за заваривање), а прстенасто светло обезбеђује већи унос топлоте, проширује отвор за кључаоницу, смањује утицај металне паре и плазме на течни метал на ивици отвора за кључаоницу, смањује резултујуће прскање метала и повећава време термичког циклуса завара, помажући гасу у растопљеном базену да дуже излази, побољшавајући стабилност процеса брзог заваривања (слично излазу полупроводничких ласера у хибридним решењима за заваривање).
У тесту смо заварили батерије са танким зидовима и утврдили да је конзистентност величине завара била добра, а процесна способност CPK била добра, као што је приказано на слици 18.
Изглед завара горњег поклопца батерије са дебљином зида 0,8 мм (брзина заваривања 300 мм/с)
Што се тиче хардвера, за разлику од хибридног решења за заваривање, ово решење је једноставно и не захтева два ласера или посебну хибридну главу за заваривање. Потребна му је само уобичајена глава за ласерско заваривање велике снаге (пошто само једно оптичко влакно емитује ласер једне таласне дужине, структура сочива је једноставна, није потребно подешавање, а губитак снаге је мали), што олакшава отклањање грешака и одржавање, а стабилност опреме је значајно побољшана.
Поред једноставног система хардверског решења и испуњавања захтева процеса брзог заваривања горњег поклопца батеријских ћелија, ово решење има и друге предности у процесним применама.
У тесту смо заварили горњи поклопац батерије великом брзином од 300 мм/с и даље смо постигли добре ефекте формирања заварног шава. Штавише, за шкољке са различитим дебљинама зидова од 0,4, 0,6 и 0,8 мм, само једноставним подешавањем режима ласерског излаза може се извршити добро заваривање. Међутим, за решења хибридног ласерског заваривања са две таласне дужине, потребно је променити оптичку конфигурацију главе за заваривање или ласера, што ће довести до већих трошкова опреме и трошкова времена за отклањање грешака.
Стога, тачкасто-прстенско местоласерско заваривањеРешење не само да може постићи ултрабрзину заваривања горњег поклопца од 300 мм/с и побољшати ефикасност производње батерија. За компаније које производе батерије којима су потребне честе промене модела, ово решење такође може значајно побољшати квалитет опреме и производа, скраћујући време промене модела и отклањања грешака.
Изглед завара горњег поклопца батерије са дебљином зида 0,4 мм (брзина заваривања 300 мм/с)
Изглед завара горњег поклопца батерије са дебљином зида 0,6 мм (брзина заваривања 300 мм/с)
Пенетрација коронског ласерског завара за заваривање танких зидова ћелија – могућности процеса
Поред горе поменутог Corona ласера, AMB ласери и ARM ласери имају сличне карактеристике оптичког излаза и могу се користити за решавање проблема као што су побољшање прскања ласерског завара, побољшање квалитета површине завара и побољшање стабилности брзог заваривања.
4. Резиме
Различита решења поменута горе користе се у стварној производњи домаћих и страних компанија за производњу литијумских батерија. Због различитог времена производње и различитих техничких позадина, различита процесна решења се широко користе у индустрији, али компаније имају веће захтеве за ефикасношћу и квалитетом. Она се стално побољшава и компаније које су на челу технологије ускоро ће применити више нових технологија.
Кинеска индустрија нових енергетских батерија је започела релативно касно и брзо се развијала вођена националним политикама. Сродне технологије су наставиле да напредују заједничким напорима целог индустријског ланца и свеобухватно су смањиле јаз са истакнутим међународним компанијама. Као домаћи произвођач опреме за литијумске батерије, Maven такође стално истражује сопствене области предности, помажући у итеративним надоградњама опреме за батеријске пакете и пружајући боља решења за аутоматизовану производњу нових модула батерија за складиштење енергије.
Време објаве: 19. септембар 2023.
