01 Uvod
Med preusmeritvijo svetovne avtomobilske industrije k elektrifikaciji napajalne baterije kot glavni vir energije novih energetskih vozil določajo tržno konkurenčnost električnih vozil s svojo zmogljivostjo, varnostjo in ceno. Proizvodnja električnih baterij je kompleksen proces, ki vključuje interdisciplinarno znanje, vključno z znanostjo o materialih, elektrokemijo in natančnim inženiringom. Visoko-kakovostna povezovalna tehnologija je ključna povezava v tem procesu. Tradicionalne metode spajanja, kot sta uporovno varjenje in ultrazvočno varjenje, vse pogosteje kažejo omejitve-kot so veliki toplotni učinki, slaba konsistenca in ozka okna parametrov procesa-ko se soočamo z veliko-avtomatizirano proizvodnjo električnih baterij in ravnanjem z materiali z visoko toplotno prevodnostjo, kot sta baker in aluminij. Tehnologija laserskega varjenja s svojo visoko energijsko gostoto, nadzorovanim vnosom toplote, brez{8}}kontaktno naravo in enostavno avtomatizacijo izpolnjuje stroge zahteve izdelave električnih baterij glede natančnosti, učinkovitosti in zanesljivosti ter je postala osrednji proces v celotnem delovnem toku od proizvodnje celic do sestavljanja paketa baterij. Namen tega prispevka je ponazoriti posebne uporabe tehnologije laserskega varjenja na različnih stopnjah izdelave električnih baterij in povzeti njeno pomembno vlogo pri spodbujanju razvoja industrije električnih baterij.
02 Uporaba v fazi izdelave baterijskih celic
Baterijska celica je temeljna enota napajalne baterije, njena natančnost izdelave in tesnjenje pa sta bistveni garanciji za varnost in učinkovitost baterije. Lasersko varjenje se uporablja predvsem za natančno spajanje in končno tesnjenje baterijskih celic. Prvič, za električne povezave znotraj baterijske celice se uporablja lasersko varjenje za varjenje jezičkov. Ko je postopek navijanja ali zlaganja končan, je treba trdno zvariti jezičke pozitivne (aluminijasta folija) in negativne (bakrena folija) elektrode, ki so lahko sestavljene iz desetin ali celo sto plasti, skupaj s tokovnimi zbiralniki in tvorijo zanesljivo električno pot z zunanjimi sponkami ali povezovalnimi deli, kot je prikazano na sliki 1. Lasersko varjenje lahko v trenutku zlije te tanke materiale z izjemno kratkimi impulzi in tvori zvarne točke z nizko odpornostjo in visoko trdnostjo. Njegova prednost je v minimalnem toplotno-prizadetem območju, s čimer se učinkovito izogne toplotnim poškodbam sosednjih separatorjev in aktivnih materialov, s čimer se ohrani elektrokemična učinkovitost baterijske celice.
Drugič, v končni fazi pakiranja baterijskih celic je lasersko varjenje ena od učinkovitih metod za doseganje nepredušnega tesnjenja. Hkrati se lasersko varjenje uporablja za povezavo zgornjega pokrova in ohišja tako pri kvadratnih aluminijastih ohišjih baterij kot tudi pri cilindričnih jeklenih ohišjih. Z natančnim nadzorom laserske moči, hitrosti in položaja žarišča je mogoče na ohišju oblikovati neprekinjen, gladek in gost zvar, ki učinkovito preprečuje uhajanje elektrolita in vdor zunanje vlage, kar zagotavlja kemično stabilnost baterijske celice skozi celotno življenjsko dobo. Za celice vrečke se lasersko varjenje uporablja v postopkih zgornjega tesnjenja in stranskega tesnjenja, pri čemer se štrleči jezički privarijo na povezovalne in zaščitne prehodne dele (običajno iz ponikljanega bakra ali aluminija). Njegova brez{5}}kontaktna narava zagotavlja učinkovitost pakiranja in ničelno poškodbo embalažnega materiala iz aluminija-plastične folije, kot je prikazano na sliki 2.
03 Uporaba v fazi montaže baterijskih modulov in baterijskih paketov vključuje integracijo posameznih celic v module in baterijske pakete, kar zahteva veliko število električnih povezav in strukturnega pritrditve. To je faza, kjer je lasersko varjenje najbolj koncentrirano in tehnično zahtevno. Kar zadeva električne povezave, je glavna aplikacija zaporedno in vzporedno varjenje med celicami. S povezovanjem vodil (običajno aluminijastih ali bakrenih) s sponkami celice se sestavi sistem električnega vezja celotnega baterijskega paketa.
Težave pri tem postopku so: 1) izzivi glede lastnosti materiala-baker in aluminij imata visoko odbojnost za običajno uporabljene infrardeče laserje in visoko toplotno prevodnost, kar otežuje varjenje; 2) spajanje različnih materialov, kot je povezava med bakrenimi zbiralkami in aluminijastimi sponkami, ki je nagnjena k tvorbi krhkih intermetalnih spojin (IMC), ki vplivajo na dolgoročno-zanesljivost povezave. Za reševanje teh izzivov je industrija razvila napredne postopke, kot je oscilacijsko lasersko varjenje, hibridno varjenje (npr. laser-oblok) in uporaba novih laserjev z valovno dolžino, kot sta zeleni ali modri laser. Te tehnologije učinkovito zavirajo napake, kot so brizganje in poroznost, ter nadzirajo debelino plasti IMC tako, da razširijo bazen staline, izboljšajo mešanje in povečajo absorpcijo energije, s čimer dosežejo električne povezave. Pri konstrukcijskih povezavah ima pomembno vlogo tudi lasersko varjenje. Uporablja se lahko na primer za strukturne komponente, kot so stranske plošče modula in končne plošče, ki pritrjujejo celice, pa tudi za povezavo ohišja in pokrova paketa baterij. V primerjavi s tradicionalnimi vijačnimi ali kovičnimi povezavami lahko lasersko varjenje doseže višjo stopnjo integracije in strukturno trdnost, kar pomaga izboljšati odpornost baterije na vibracije in udarce. Poleg tega se drobni zvari v zajemnih tokokrogih napetostnih in temperaturnih senzorjev v sistemih za upravljanje baterij vse bolj izvajajo z laserskim varjenjem, da se zagotovi dolgoročna -stabilnost in zanesljivost zajema signala.
04 Povzetek Laserska varilna tehnologija s svojo visoko natančnostjo, hitrostjo in zanesljivostjo je vključena v vsak korak proizvodnje električnih baterij. Lasersko varjenje igra nenadomestljivo osrednjo vlogo, od varjenja jezičkov celice na mikrorazsegu do strukturnih povezav paketa baterij na makro ravni, od nepredušne embalaže, ki zagotavlja varnost celice, do električnih povezav z nizko-upornostjo, ki določajo učinkovitost baterije. Ne samo, da učinkovito rešuje izzive obdelave--materialov, ki jih je težko -variti, kot sta baker in aluminij, ter izpolnjuje zahteve glede učinkovitosti in doslednosti obsežne-avtomatizirane proizvodnje, ampak tudi poveča zaščito elektrokemične učinkovitosti akumulatorja z natančnim nadzorom varilne toplote. Zorenje in razvoj tehnologije laserskega varjenja sta postala ključni tehnološki motor, ki spodbuja povečanje energijske gostote akumulatorja, znižanje proizvodnih stroškov in izboljšanje varnosti, kar zagotavlja trdne proizvodne temelje za hiter razvoj globalne industrije novih energetskih vozil.
