激光焊接：用于锂离子电池生产的高效焊接工艺

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激光焊接：用于锂离子电池生产的高效焊接工艺

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https://www.laserfocusworld.com.cn/DeIN.asp?id=7097

在电动汽车行业快速发展的推动下，动力电池制造已成为一个热门且快速增长的市场。激光焊接技术在电池生产中发挥着关键作用，特别是在连接不同材料方面。德国弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）正在开展多项研究项目，以开发更高效、可靠的激光焊接工艺，满足日益增长的电池产能需求。

图1：作为AiF项目MikroPuls的一部分，Fraunhofer ILT正在开发用于动力电池单元高效连接的激光工艺。图中显示的是在圆柱形电池顶部，用激光焊接的铜连接片。（图片来源：Fraunhofer ILT）

在电动汽车（EV）行业需求加速的带动下，动力电池制造是一个目前正在经历实质性增长的热门市场。媒体对电动汽车市场的报道，也是铺天盖地的利好：有报道透露了通用汽车公司到2025年销售100万辆电动汽车的计划；也有报道指出，中国汽车制造商在2020年销售了121万辆电动汽车，预计2021年将增长到200万辆。这不仅对于动力电池制造商而言是个诱人的市场，同样对于提供电池焊接设备（尤其是激光焊接设备）的厂商而言更是如此。电动汽车市场的快速发展，已经让激光行业垂涎三尺。

电池焊接并不是一项新的激光应用。早在20世纪80年代末，中国武汉的一家激光焊接系统制造商，就在为连接电池对提供固态激光系统。但是直到电动汽车的出现，激光电池焊接应用才开始真正起飞。在随后的几年里，由于埃隆-马斯克在电动汽车方面所取得的成功，电动汽车便成为了激光焊接应用中的一个热门词汇。顺便说一句，我曾有幸在2011年春季的德国慕尼黑激光世展上，试驾过一辆特斯拉跑车原型，其为供电的锂电池就是用激光焊接的。

在最近的一份报道中，德国弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）正在努力为汽车行业建立高性能的电池单元生产中心。Fraunhofer ILT的科学家正在研究如何利用激光技术来经济地连接不同的材料，以便高效和可靠地制造电池单元；以及是否可以将电池单元相互连接，形成模块和电池组，以可靠地满足即将到来的对电池容量的大量需求。

锂离子电池的效率提升

在由德国联邦教育和研究部（BMBF）资助一个名为HoLiB（即生产锂离子电池的高吞吐量工艺）的项目中，锂离子电池的生产效率就比以前高出很多。Fraunhofer ILT正在开发和验证一种激光工艺，用于将阳极和阴极连接到触点——避雷片。由于阳极是由铜制成的，阴极是由铝制成的，而避雷片则是由这两种材料制成的，因此研究人员决定测试三种不同的光源：波长450nm的蓝光半导体激光器、波长515nm的绿光碟片激光器，以及波长1070nm的红外光纤激光器。Fraunhofer ILT的研究助理Johanna Helm解释说：“对三种光源的测试表明，金属薄片可以被焊接在一起，并且工艺可靠。我们目前正在验证工艺窗口，并对避雷片进行焊接测试。”

使用一个具有多个工位的转盘，将20个阳极和阴极以0.1s的间隔放置到转盘上，这样在2s内就能完成20个阳极和阴极的放置。当转盘的一个工位被放置好极片后，转盘继续快速旋转，以便为下一个工位放置极片。与此同时，对于已经放置好极片的工位的激光焊接过程，可以在没有任何时间损失的情况下开始。

纳秒激光脉冲保护热敏元件

在AiF项目MikroPuls中，科学家们正在研究如何更有效地连接电池单元，Fraunhofer ILT正在用纳秒脉冲红外光纤激光器开发连接铜、铝和钢的工艺。这些工艺要求很高，因为薄的电触点对热敏感，不能加热太多。在这里，平衡非常重要：如果应用的焊接能量太少，连接就缺乏机械稳定性；如果应用的能量太多，电池的工作模式就会受到影响，或者缩短其使用寿命。Fraunhofer ILT的研究助理Elie Haddad说：“这正是快速MikroPuls工艺可以发挥其优势的地方，它甚至可以使用200W的最大平均功率来实现铜焊接，而对被焊接的零件产生很小的热影响。”