Литиевите батерии с квадратна алуминиева обвивка имат много предимства като проста структура, добра устойчивост на удар, висока енергийна плътност и голям капацитет на клетката. Те винаги са били основната посока на местното производство и развитие на литиеви батерии, което представлява повече от 40% от пазара.
Структурата на литиевата батерия с квадратна алуминиева обвивка е както е показано на фигурата, която се състои от ядро на батерията (пластини с положителен и отрицателен електрод, сепаратор), електролит, корпус, горен капак и други компоненти.
Структура на литиева батерия с квадратна алуминиева обвивка
По време на процеса на производство и сглобяване на литиеви батерии с квадратна алуминиева обвивка, голям бройлазерно заваряванеНеобходими са процеси, като например: заваряване на меки връзки на батерийни клетки и капаци, заваряване на уплътнение на капак, заваряване на уплътнителни пирони и др. Лазерното заваряване е основният метод за заваряване на призматични батерии. Благодарение на високата си енергийна плътност, добра стабилност на мощността, висока прецизност на заваряване, лесна систематична интеграция и много други предимства,лазерно заваряванее незаменим в производствения процес на литиеви батерии с призматичен алуминиев корпус. роля.
4-осна автоматична платформа за галванометър Mavenмашина за лазерно заваряване на влакна
Заваръчният шев на уплътнението на горния капак е най-дългият заваръчен шев в батерията с квадратна алуминиева обвивка и също така заваръчният шев отнема най-дълго време за заваряване. През последните години индустрията за производство на литиеви батерии се разви бързо и технологията за лазерно заваряване на горния капак и технологията на оборудването също се развиха бързо. Въз основа на различната скорост на заваряване и производителност на оборудването, ние грубо разделяме оборудването и процесите за лазерно заваряване на горния капак на три епохи. Те са ерата 1.0 (2015-2017) със скорост на заваряване <100 mm/s, ерата 2.0 (2017-2018) със 100-200 mm/s и ерата 3.0 (2019-) с 200-300 mm/s. Следното ще представи развитието на технологиите по пътя на времето:
1. Ерата 1.0 на технологията за лазерно заваряване на горния капак
Скорост на заваряване＜100 mm/s
От 2015 г. до 2017 г. местните нови енергийни превозни средства започнаха да експлодират, водени от политики, и индустрията на батериите започна да се разширява. Въпреки това натрупването на технологии и резервите от таланти на местните предприятия все още са относително малки. Свързаните процеси за производство на батерии и технологии за оборудване също са в начален стадий, а степента на автоматизация на оборудването е относително ниска, производителите на оборудване току-що са започнали да обръщат внимание на производството на батерии и да увеличават инвестициите в научноизследователска и развойна дейност. На този етап изискванията за производствена ефективност на индустрията за оборудване за лазерно запечатване на квадратни батерии обикновено са 6-10PPM. Решението за оборудване обикновено използва 1kw влакнест лазер за излъчване през обикновенглава за лазерно заваряване(както е показано на снимката), а заваръчната глава се задвижва от двигател на серво платформа или линеен двигател. Движение и заваряване, скорост на заваряване 50-100mm/s.
Използване на 1kw лазер за заваряване на горния капак на ядрото на батерията
Влазерно заваряванепроцес, поради относително ниската скорост на заваряване и относително дългото време на термичен цикъл на заваръчния шев, разтопената вана има достатъчно време да тече и да се втвърди, а защитният газ може по-добре да покрие разтопената вана, което улеснява получаването на гладка и пълна повърхност, заварки с добра консистенция, както е показано по-долу.
Оформяне на заваръчен шев за нискоскоростно заваряване на горния капак
По отношение на оборудването, въпреки че ефективността на производството не е висока, структурата на оборудването е сравнително проста, стабилността е добра и цената на оборудването е ниска, което добре отговаря на нуждите на развитието на индустрията на този етап и поставя основата за последващи технологични развитие.
Въпреки че ерата за заваряване на горния капак 1.0 има предимствата на просто решение за оборудване, ниска цена и добра стабилност. Но присъщите му ограничения също са много очевидни. По отношение на оборудването, мощността на двигателя не може да отговори на търсенето за по-нататъшно увеличаване на скоростта; от гледна точка на технологията, простото увеличаване на скоростта на заваряване и изходната лазерна мощност за по-нататъшно ускоряване ще доведе до нестабилност в процеса на заваряване и намаляване на добива: увеличаването на скоростта скъсява времето на термичния цикъл на заваряване и металът Процесът на топене е по-интензивен, пръскането се увеличава, адаптивността към примеси ще бъде по-лоша и е по-вероятно да се образуват дупки от пръски. В същото време времето за втвърдяване на разтопения басейн се съкращава, което ще доведе до грапавост на заваръчната повърхност и намаляване на консистенцията. Когато лазерното петно е малко, входящата топлина не е голяма и разпръскването може да бъде намалено, но съотношението дълбочина към ширина на заваръчния шев е голямо и ширината на заваръчния шев не е достатъчна; когато лазерното петно е голямо, трябва да се въведе по-голяма мощност на лазера, за да се увеличи ширината на заваръчния шев. Голям, но в същото време ще доведе до повишено пръскане при заваряване и лошо качество на формиране на повърхността на заваръчния шев. На техническо ниво на този етап по-нататъшното ускоряване означава, че добивът трябва да бъде заменен с ефективност, а изискванията за надграждане на оборудването и технологията на процеса са се превърнали в изисквания на индустрията.
2. Ерата 2.0 на горната корицалазерно заваряванетехнология
Скорост на заваряване 200mm/s
През 2016 г. инсталираният капацитет на автомобилни батерии в Китай беше приблизително 30,8 GWh, през 2017 г. беше приблизително 36 GWh, а през 2018 г., с началото на по-нататъшна експлозия, инсталираният капацитет достигна 57 GWh, което е увеличение от 57% на годишна база. Новите енергийни пътнически превозни средства също са произведени близо един милион, което е увеличение от 80,7% на годишна база. Зад експлозията в инсталирания капацитет стои освобождаването на капацитет за производство на литиеви батерии. Батериите за нови енергийни пътнически превозни средства представляват повече от 50% от инсталирания капацитет, което също означава, че изискванията на индустрията за производителност и качество на батериите ще стават все по-строги, а съпътстващите подобрения в технологията на производственото оборудване и технологията на процесите също навлязоха в нова ера : за да се изпълнят изискванията за производствен капацитет на една линия, производственият капацитет на оборудването за лазерно заваряване на горния капак трябва да бъде увеличен до 15-20PPM, а неговиятлазерно заваряванескоростта трябва да достигне 150-200 mm/s. Следователно, по отношение на задвижващите двигатели, различните производители на оборудване са. Платформата на линейния двигател е надстроена, така че неговият механизъм за движение да отговаря на изискванията за производителност на движение за заваряване с еднаква скорост на правоъгълна траектория 200 mm/s; обаче, как да се осигури качество на заваряване при високоскоростно заваряване изисква по-нататъшни пробиви в процеса и компаниите в индустрията са провели много изследвания и проучвания: В сравнение с ерата 1.0, проблемът, пред който е изправена високоскоростното заваряване в ерата 2.0, е: използването на обикновени влакнести лазери за извеждане на един точков източник на светлина през обикновени заваръчни глави, изборът е труден за постигане на изискването за 200 mm/s.
В оригиналното техническо решение ефектът на формоване при заваряване може да се контролира само чрез конфигуриране на опции, регулиране на размера на петното и регулиране на основни параметри като лазерна мощност: когато се използва конфигурация с по-малко петно, ключалката на заваръчната вана ще бъде малка , формата на басейна ще бъде нестабилна и заваряването ще стане нестабилно. Ширината на сливането на шева също е относително малка; когато се използва конфигурация с по-голямо светлинно петно, ключалката ще се увеличи, но мощността на заваряване ще бъде значително увеличена и нивата на пръски и взривни дупки ще бъдат значително увеличени.
Теоретично, ако искате да осигурите ефекта на образуване на заваръчен шев при висока скоростлазерно заваряванена горния капак трябва да отговаряте на следните изисквания:
① Заваръчният шев има достатъчна ширина и съотношението дълбочина към ширина на заваръчния шев е подходящо, което изисква обхватът на топлинно действие на източника на светлина да е достатъчно голям и енергията на заваръчната линия да е в разумен диапазон;
② Заваръчният шев е гладък, което изисква времето на термичния цикъл на заваръчния шев да бъде достатъчно дълго по време на процеса на заваряване, така че разтопеният басейн да има достатъчна течливост и заваръчният шев да се втвърди в гладка метална заварка под защитата на защитния газ;
③ Заваръчният шев има добра консистенция и малко пори и дупки. Това изисква по време на процеса на заваряване лазерът да действа стабилно върху детайла, а плазмата с високоенергиен лъч да се генерира непрекъснато и да действа върху вътрешността на разтопения басейн. Разтопеният басейн произвежда „ключ“ под силата на реакция на плазмата. „дупка“, ключалката е достатъчно голяма и достатъчно стабилна, така че генерираните метални пари и плазма да не се изхвърлят лесно и да извадят метални капчици, образувайки пръски, а разтопеният басейн около ключалката не е лесно да се срути и да включва газ . Дори ако чужди предмети са изгорени по време на процеса на заваряване и газовете се отделят експлозивно, по-голямата ключалка е по-благоприятна за отделянето на експлозивни газове и намалява пръскането на метал и образуваните дупки.
В отговор на горните точки компаниите за производство на батерии и компаниите за производство на оборудване в индустрията са направили различни опити и практики: Производството на литиеви батерии е разработено в Япония от десетилетия и свързаните производствени технологии са поели водеща роля.
През 2004 г., когато фибролазерната технология все още не беше широко приложена в търговската мрежа, Panasonic използва LD полупроводникови лазери и YAG лазери, изпомпвани с импулсна лампа, за смесен изход (схемата е показана на фигурата по-долу).
Схематична диаграма на многолазерна хибридна заваръчна технология и структура на заваръчна глава
Светлинното петно с висока плътност на мощността, генерирано от импулсаYAG лазерс малко петно се използва за въздействие върху детайла за генериране на отвори за заваряване, за да се получи достатъчно проникване при заваряване. В същото време LD полупроводниковият лазер се използва за осигуряване на CW непрекъснат лазер за предварително загряване и заваряване на детайла. Разтопеният басейн по време на процеса на заваряване осигурява повече енергия за получаване на по-големи заваръчни отвори, увеличаване на ширината на заваръчния шев и удължаване на времето за затваряне на заваръчните отвори, като помага на газа в разтопения резервоар да излезе и намалява порьозността на заваряването шев, както е показано по-долу
Принципна диаграма на хибридлазерно заваряване
Прилагайки тази технология,YAG лазерии LD лазери само с няколкостотин вата мощност могат да се използват за заваряване на тънки корпуси на литиеви батерии при висока скорост от 80 mm/s. Ефектът от заваряване е както е показано на фигурата.
Морфология на заваръчния шев при различни параметри на процеса
С развитието и възхода на влакнестите лазери, влакнестите лазери постепенно замениха импулсните YAG лазери в лазерната обработка на метали поради многото им предимства като добро качество на лъча, висока ефективност на фотоелектрично преобразуване, дълъг живот, лесна поддръжка и висока мощност.
Следователно, лазерната комбинация в горното лазерно хибридно заваръчно решение е еволюирала във влакнен лазер + LD полупроводников лазер, като лазерът също се извежда коаксиално през специална обработваща глава (заваръчната глава е показана на Фигура 7). По време на процеса на заваряване механизмът на действие на лазера е същият.
Композитно лазерно заваряване
В този план импулсниятYAG лазерсе заменя с фибролазер с по-добро качество на лъча, по-голяма мощност и непрекъсната мощност, което значително увеличава скоростта на заваряване и постига по-добро качество на заваряване (ефектът на заваряване е показан на фигура 8). Този план също така е предпочитан от някои клиенти. Понастоящем това решение се използва при производството на заваряване на горния капак на захранващата батерия и може да достигне скорост на заваряване от 200 mm/s.
Външен вид на заварка на горния капак чрез хибридно лазерно заваряване
Въпреки че решението за лазерно заваряване с двойна дължина на вълната решава стабилността на заваръчния шев при високоскоростно заваряване и отговаря на изискванията за качество на заваръчния шев при високоскоростно заваряване на горните капаци на батерийните клетки, все още има някои проблеми с това решение от гледна точка на оборудването и процеса.
На първо място, хардуерните компоненти на това решение са относително сложни, изискващи използването на два различни вида лазери и специални лазерни заваръчни съединения с двойна дължина на вълната, което увеличава инвестиционните разходи за оборудване, увеличава трудността на поддръжката на оборудването и увеличава потенциалния отказ на оборудването точки;
Второ, двойната дължина на вълнаталазерно заваряванеизползваното съединение е съставено от множество комплекти лещи (вижте Фигура 4). Загубата на мощност е по-голяма от тази при обикновените заваръчни съединения и позицията на лещата трябва да се регулира до подходящата позиция, за да се осигури коаксиалният изход на лазера с двойна дължина на вълната. И при фокусиране върху фиксирана фокална равнина, дългосрочна високоскоростна работа, позицията на лещата може да се разхлаби, причинявайки промени в оптичния път и засягайки качеството на заваряване, което изисква ръчно повторно регулиране;
Трето, по време на заваряване лазерното отражение е силно и може лесно да повреди оборудването и компонентите. Особено при ремонт на дефектни продукти, гладката заваръчна повърхност отразява голямо количество лазерна светлина, което може лесно да предизвика лазерна аларма и параметрите на обработка трябва да бъдат коригирани за ремонт.
За да разрешим горните проблеми, трябва да намерим друг начин за изследване. През 2017-2018 г. изучавахме високочестотния суинглазерно заваряванетехнология на горния капак на батерията и я популяризира за производствено приложение. Високочестотното люлеещо се заваряване с лазерен лъч (наричано по-нататък люлеещо се заваряване) е друг настоящ високоскоростен процес на заваряване от 200 mm/s.
В сравнение с хибридното лазерно заваръчно решение, хардуерната част на това решение изисква само обикновен оптичен лазер, свързан с осцилираща лазерна заваръчна глава.
клатеща се клатеща се заваръчна глава
Вътре в заваръчната глава има задвижвана от двигателя отразяваща леща, която може да бъде програмирана да управлява лазера да се люлее според проектирания тип траектория (обикновено кръгла, S-образна, 8-образна и т.н.), амплитуда и честота на люлеене. Различните параметри на люлеене могат да направят напречното сечение за заваряване Предлага се в различни форми и различни размери.
Заварки, получени при различни траектории на въртене
Високочестотната въртяща се заваръчна глава се задвижва от линеен двигател, за да заварява по протежение на пролуката между детайлите. Според дебелината на стената на клетъчната обвивка се избират подходящият тип и амплитуда на траекторията на люлеене. По време на заваряване статичният лазерен лъч ще образува само V-образно напречно сечение на заваръчния шев. Въпреки това, задвижван от люлеещата се заваръчна глава, петното на лъча се люлее с висока скорост във фокалната равнина, образувайки динамична и въртяща се ключалка за заваряване, която може да получи подходящо съотношение на дълбочина към ширина на заваръчния шев;
Въртящият се ключалка за заваряване разбърква заваръчния шев. От една страна, той помага на газа да излезе и намалява порите на заваръчния шев и има известен ефект върху поправянето на дупките в точката на експлозия на заваръчния шев (вижте Фигура 12). От друга страна, заваръчният метал се нагрява и охлажда по правилен начин. Циркулацията прави повърхността на заваръчния шев да изглежда като правилна и подредена шарка на рибени люспи.
Формиране на заваръчен шев
Адаптивност на заваръчните шевове към замърсяване на боята при различни параметри на колебание
Горните точки отговарят на трите основни изисквания за качество за високоскоростно заваряване на горния капак. Това решение има и други предимства:
① Тъй като по-голямата част от лазерната мощност се инжектира в динамичната ключалка, външният разпръснат лазер е намален, така че е необходима само по-малка мощност на лазера, а входящата топлина при заваряване е относително ниска (30% по-малко от композитното заваряване), което намалява оборудването загуба и загуба на енергия;
② Методът на люлеещо се заваряване има висока адаптивност към качеството на сглобяване на детайлите и намалява дефектите, причинени от проблеми като стъпки на сглобяване;
③Методът на люлеещо се заваряване има силен ремонтен ефект върху заваръчните отвори и коефициентът на добив при използване на този метод за ремонт на заваръчни отвори в сърцевината на батерията е изключително висок;
④ Системата е проста, а отстраняването на грешки и поддръжката на оборудването са прости.
3. Ерата 3.0 на технологията за лазерно заваряване на горния капак
Скорост на заваряване 300mm/s
Тъй като новите енергийни субсидии продължават да намаляват, почти цялата промишлена верига на индустрията за производство на батерии е изпаднала в червено море. Индустрията също навлезе в период на преустройство и делът на водещите компании с мащаб и технологични предимства допълнително се увеличи. Но в същото време „подобряване на качеството, намаляване на разходите и повишаване на ефективността“ ще стане основната тема на много компании.
В периода на ниски или никакви субсидии, само чрез постигане на итеративни надстройки на технологията, постигане на по-висока ефективност на производството, намаляване на производствените разходи за една батерия и подобряване на качеството на продукта можем да имаме допълнителен шанс да спечелим в конкуренцията.
Han's Laser продължава да инвестира в изследванията на технологията за високоскоростно заваряване на горните капаци на батерийните клетки. В допълнение към няколкото метода на процеса, представени по-горе, той също така изучава модерни технологии като технология за пръстеновидно точково лазерно заваряване и технология за лазерно заваряване с галванометър за горните капаци на батерийните клетки.
За да подобрите допълнително ефективността на производството, проучете технологията за заваряване на горния капак при 300 mm/s и по-висока скорост. Han's Laser проучи сканиращ галванометър лазерно заваряване запечатване през 2017-2018 г., преодолявайки техническите трудности на трудната газова защита на детайла по време на заваряване с галванометър и лошия ефект на оформяне на заваръчната повърхност и постигайки 400-500 mm/sлазерно заваряванена горния капак на клетката. Заваряването отнема само 1 секунда за батерия 26148.
Въпреки това, поради високата ефективност, е изключително трудно да се разработи поддържащо оборудване, което да съответства на ефективността, а цената на оборудването е висока. Поради това не е извършено по-нататъшно разработване на комерсиално приложение за това решение.
С по-нататъшното развитие нафибролазертехнология, бяха пуснати нови високомощни влакнести лазери, които могат директно да извеждат пръстеновидни светлинни петна. Този тип лазер може да извежда лазерни точки с точков пръстен чрез специални многослойни оптични влакна, като формата на петното и разпределението на мощността могат да се регулират, както е показано на фигурата
Заварки, получени при различни траектории на въртене
Чрез регулиране разпределението на плътността на мощността на лазера може да бъде направено във форма на място-поничка-топ. Този тип лазер се нарича Corona, както е показано на фигурата.
Регулируем лазерен лъч (съответно: централна светлина, централна светлина + пръстен, пръстен, две пръстени)
През 2018 г. беше тествано приложението на множество лазери от този тип при заваряването на горни капаци на батерийни клетки от алуминиева обвивка и на базата на лазера Corona беше стартирано изследване на технологично решение 3.0 за лазерно заваряване на горни капаци на батерийни клетки. Когато лазерът Corona изпълнява изход в режим на точков пръстен, характеристиките на разпределението на плътността на мощността на неговия изходен лъч са подобни на комбинирания изход на полупроводников + фибролазер.
По време на процеса на заваряване централната точкова светлина с висока плътност на мощността образува ключалка за заваряване с дълбоко проникване, за да се получи достатъчно заваръчно проникване (подобно на изхода на фибролазера в хибридното заваръчно решение), а пръстеновидната светлина осигурява по-голямо входяща топлина, увеличете отвора на ключалката, намалете въздействието на метални пари и плазма върху течния метал в ръба на отвора на ключалката, намалете произтичащото метално пръскане, и увеличава времето на термичния цикъл на заваръчния шев, като помага на газа в разтопения басейн да излиза за по-дълго време, подобрявайки стабилността на високоскоростните заваръчни процеси (подобно на изхода на полупроводниковите лазери в хибридните заваръчни решения).
При теста заварихме батерии с тънки стени и открихме, че консистенцията на размера на заваръчния шев е добра и способността на процеса CPK е добра, както е показано на Фигура 18.
Външен вид на заваряване на горния капак на батерията с дебелина на стената 0,8 mm (скорост на заваряване 300 mm/s)
По отношение на хардуера, за разлика от хибридното заваръчно решение, това решение е просто и не изисква два лазера или специална хибридна заваръчна глава. Изисква само обикновена обикновена високомощна лазерна заваръчна глава (тъй като само едно оптично влакно извежда лазер с една дължина на вълната, структурата на лещите е проста, не се изисква настройка и загубата на мощност е ниска), което го прави лесен за отстраняване на грешки и поддръжка и стабилността на оборудването е значително подобрена.
В допълнение към простата система на хардуерното решение и удовлетворяването на изискванията за високоскоростен заваръчен процес на горния капак на батерията, това решение има други предимства в приложенията на процеса.
При теста заварихме горния капак на батерията при висока скорост от 300 mm/s и все пак постигнахме добри ефекти при формиране на заваръчен шев. Освен това, за черупки с различни дебелини на стените от 0,4, 0,6 и 0,8 мм, само чрез просто регулиране на лазерния изходен режим може да се извърши добро заваряване. Въпреки това, за решения за лазерно хибридно заваряване с двойна дължина на вълната е необходимо да се промени оптичната конфигурация на заваръчната глава или лазера, което ще доведе до по-високи разходи за оборудване и разходи за време за отстраняване на грешки.
Следователно точка-пръстен мястолазерно заваряванерешението може не само да постигне свръхвисокоскоростно заваряване на горния капак при 300 mm/s и да подобри производствената ефективност на захранващите батерии. За компаниите за производство на батерии, които се нуждаят от честа смяна на модела, това решение може също значително да подобри качеството на оборудването и продуктите. съвместимост, съкращаване на времето за промяна на модела и отстраняване на грешки.
Външен вид на заваряване на горния капак на батерията с дебелина на стената 0,4 mm (скорост на заваряване 300 mm/s)
Външен вид на заваряване на горния капак на батерията с дебелина на стената 0,6 mm (скорост на заваряване 300 mm/s)
Коронна лазерна заваръчна пенетрация за заваряване на тънкостенни клетки – възможности на процеса
В допълнение към лазера Corona, споменат по-горе, лазерите AMB и лазерите ARM имат сходни оптични изходни характеристики и могат да се използват за решаване на проблеми като подобряване на лазерните пръски при заваряване, подобряване на качеството на повърхността на заварката и подобряване на стабилността на високоскоростно заваряване.
4. Обобщение
Различните решения, споменати по-горе, се използват в реално производство от местни и чуждестранни компании за производство на литиеви батерии. Поради различното време за производство и различния технически опит, различни решения за процеси се използват широко в индустрията, но компаниите имат по-високи изисквания за ефективност и качество. Той непрекъснато се подобрява и скоро ще бъдат приложени още нови технологии от компании в челните редици на технологиите.
Производството на нови енергийни батерии в Китай започна сравнително късно и се разви бързо, водено от националните политики. Свързаните технологии продължиха да се развиват със съвместните усилия на цялата индустриална верига и съкратиха значително разликата с изключителните международни компании. Като вътрешен производител на оборудване за литиеви батерии, Maven също така непрекъснато проучва собствените си области на предимство, като помага за итеративни надстройки на оборудване за батерийни пакети и предоставя по-добри решения за автоматизирано производство на нови пакети батерийни модули за съхранение на енергия.
Време на публикуване: 19 септември 2023 г
