01 Introduzione
Nel contesto dello spostamento dell’industria automobilistica globale verso l’elettrificazione, le batterie, in quanto fonte energetica principale dei veicoli a nuova energia, determinano la competitività di mercato dei veicoli elettrici attraverso le loro prestazioni, sicurezza e costi. La produzione di batterie di potenza è un processo complesso che coinvolge conoscenze interdisciplinari tra cui scienza dei materiali, elettrochimica e ingegneria di precisione. La tecnologia di connessione di alta-qualità è un anello cruciale in tutto questo processo. I metodi di giunzione tradizionali, come la saldatura a resistenza e la saldatura a ultrasuoni, mostrano sempre più limitazioni-come grandi effetti termici, scarsa consistenza e finestre ristrette dei parametri di processo-quando si affrontano la produzione automatizzata su larga-scala di batterie di alimentazione e la gestione di materiali ad alta conduttività termica come rame e alluminio. La tecnologia di saldatura laser, con la sua elevata densità di energia, apporto di calore controllabile, natura senza-contatto e facilità di automazione, soddisfa i severi requisiti della produzione di batterie di potenza in termini di precisione, efficienza e affidabilità ed è diventata un processo fondamentale durante l'intero flusso di lavoro, dalla produzione delle celle all'assemblaggio del pacco batteria. Questo articolo si propone di illustrare le applicazioni specifiche della tecnologia di saldatura laser nelle diverse fasi di produzione delle batterie di potenza e di riassumere il suo ruolo significativo nel promuovere lo sviluppo del settore delle batterie di potenza.
02 Applicazione nella fase di produzione delle celle della batteria
La cella della batteria è l'unità fondamentale di una batteria di potenza e la sua precisione di fabbricazione e tenuta sono garanzie essenziali della sicurezza e delle prestazioni della batteria. La saldatura laser viene utilizzata principalmente per il collegamento preciso e la sigillatura finale delle celle della batteria. Innanzitutto, per i collegamenti elettrici all'interno della cella della batteria, viene utilizzata la saldatura laser per saldare le linguette. Una volta completato il processo di avvolgimento o impilamento, è necessario saldare saldamente le linguette degli elettrodi positivo (foglio di alluminio) e negativo (foglio di rame), che possono essere costituiti da dozzine o addirittura centinaia di strati, insieme ai collettori di corrente, e formare un percorso elettrico affidabile con i terminali esterni o i pezzi di collegamento, come mostrato nella Figura 1. La saldatura laser può fondere istantaneamente questi materiali sottili con durate di impulso estremamente brevi, formando punti di saldatura con bassa resistenza ed elevata resistenza. Il suo vantaggio risiede nella zona interessata dal calore- minima, che evita efficacemente danni da calore ai separatori e ai materiali attivi vicini, preservando così le prestazioni elettrochimiche della cella della batteria.
In secondo luogo, nella fase finale di confezionamento delle celle della batteria, la saldatura laser è uno dei metodi efficaci per ottenere una chiusura ermetica. Allo stesso tempo, la saldatura laser viene utilizzata per collegare il coperchio superiore e l'involucro sia nelle batterie con guscio quadrato in alluminio che nelle batterie con guscio cilindrico in acciaio. Controllando con precisione la potenza, la velocità e la posizione focale del laser, è possibile formare un cordone di saldatura continuo, liscio e denso sull'involucro, prevenendo efficacemente la perdita di elettrolita e l'ingresso di umidità esterna, garantendo la stabilità chimica della cella della batteria per tutta la sua durata. Per le celle a sacchetto, la saldatura laser viene utilizzata nei processi di tenuta superiore e laterale, saldando le linguette sporgenti ai pezzi di connessione e protezione di transizione (solitamente rame o alluminio nichelato-). La sua natura senza-contatto garantisce l'efficienza dell'imballaggio e nessun danno al materiale di imballaggio in pellicola di plastica-di alluminio, come mostrato nella Figura 2.
03 L'applicazione in fase di assemblaggio di moduli e pacchi batteria prevede l'integrazione di singole celle nei moduli e nei pacchi batteria, richiedendo una grande quantità di collegamenti elettrici e fissaggi strutturali. Questa è la fase in cui la saldatura laser è più concentrata e tecnicamente impegnativa. In termini di collegamenti elettrici, l'applicazione principale è la saldatura in serie e in parallelo tra le celle. Collegando le sbarre (solitamente sbarre di alluminio o rame) ai terminali delle celle, si costruisce il circuito elettrico dell'intero pacco batteria.
Le difficoltà in questo processo risiedono in: 1) sfide relative alle caratteristiche del materiale-rame e alluminio hanno un'elevata riflettività rispetto ai laser a infrarossi comunemente utilizzati e un'elevata conduttività termica, rendendo difficile la saldatura; 2) unione di materiali diversi, come la connessione tra sbarre in rame e terminali in alluminio, che tende a formare fragili composti intermetallici (IMC) che influiscono sull'affidabilità a lungo termine della connessione. Per affrontare queste sfide, l'industria ha sviluppato processi avanzati come la saldatura laser oscillante, la saldatura ibrida (ad esempio, laser-ad arco) e l'uso di laser a nuova lunghezza d'onda come i laser verdi o blu. Queste tecnologie sopprimono efficacemente difetti come spruzzi e porosità e controllano lo spessore dello strato IMC espandendo il bagno di fusione, migliorando l'agitazione e aumentando l'assorbimento di energia, ottenendo così connessioni elettriche. In termini di connessioni strutturali, anche la saldatura laser gioca un ruolo importante. Ad esempio, può essere utilizzato per componenti strutturali come le piastre laterali dei moduli e le piastre terminali che fissano le celle, nonché per collegare l'involucro e il coperchio del pacco batteria. Rispetto ai tradizionali collegamenti a vite o rivetti, la saldatura laser può raggiungere un grado più elevato di integrazione e resistenza strutturale, il che aiuta a migliorare la resistenza del pacco batteria alle vibrazioni e agli urti. Inoltre, le minuscole saldature nei circuiti di acquisizione dei sensori di tensione e temperatura nei sistemi di gestione delle batterie vengono sempre più realizzate utilizzando la saldatura laser per garantire stabilità a lungo termine e affidabilità dell'acquisizione del segnale.
04 Riepilogo La tecnologia di saldatura laser, con la sua elevata precisione, velocità e affidabilità, è stata integrata in ogni fase della produzione delle batterie di potenza. Dalla saldatura delle linguette delle celle su microscala alle connessioni strutturali dei pacchi batteria su macroscala, dagli imballaggi ermetici che garantiscono la sicurezza delle celle ai collegamenti elettrici a bassa-resistenza che determinano le prestazioni della batteria, la saldatura laser gioca un ruolo fondamentale insostituibile. Non solo risolve efficacemente le sfide legate alla lavorazione di materiali difficili-da-saldare come rame e alluminio, soddisfacendo i requisiti di efficienza e coerenza della produzione automatizzata su larga-scala, ma massimizza anche la protezione delle prestazioni elettrochimiche della batteria attraverso il controllo preciso del calore di saldatura. La maturazione e lo sviluppo della tecnologia di saldatura laser sono diventati un motore tecnologico chiave che guida l’aumento della densità energetica delle batterie, la riduzione dei costi di produzione e il miglioramento delle prestazioni di sicurezza, fornendo una solida base produttiva per il rapido sviluppo del settore globale dei veicoli a nuova energia.
