激光焊接在鋰離子電池制造的應用研究

佘松燦

摘要：隨著新能源電動汽車的發展，具有出色充?放電性能，高能量和高功率密度的鋰離子電池成為當前重要發展方向之一?焊接質量的好壞決定了電池的密封性?一致性?安全性以及使用壽命等，如何提高焊接質量和效率是制約鋰離子電池制造的關鍵因素?激光焊接作為新型焊接方法的一種，具有熱影響區小?能量密度高?焊接速度快?加工精度高等優勢，被廣泛應用在鋰離子電池焊接中?研究激光焊接鋰離子電池的工藝規律以及激光焊接設備，具有重要的理論研究價值和廣闊的應用前景?

關鍵詞：鋰離子電池;電池組;制造;激光;焊接

鋰離子電池具有能量密度大，平均輸出電壓高，無記憶效應，循環性能優越，綠色無污染等優點，因此作為目前新能源汽車的重點研究對象?專家學者們對鋰離子電池電極材料研制選用?新的制造工藝?加工設備?使用技術等進行了深入研究?鋰離子電池或電池組有很多道制造工序，其中焊接工序包括安全帽點焊?極耳焊接?電池殼體密封焊接以及電池組焊等?研究鋰離子電池焊接技術對鋰離子電池發展具有重要意義?

1鋰離子電池的研究意義

石油?煤炭等石化燃料給人們帶來了極大的便利，但同時，燃料的消耗也增加了碳排放量，使環境污染問題愈加嚴重，尤其在交通運輸領域，燃油汽車的保有量逐年增加，石油消耗帶來的環境污染更是愈來愈烈?需要大力推廣新能源汽車，以減少交通領域的碳排放，實現環境保護的目的?

2鋰離子電池介紹

鋰離子電池是一種可充電電池，主要由正極、負極、電解質、隔膜和外殼等構成。通常以鈷酸鋰、磷酸鐵鋰等為正極活性物質，以石墨、納米碳纖維等為負極活性物質，以乙基碳酸酯、二甲基碳酸酯等為電解質，以聚丙烯、聚乙烯微孔膜等為隔膜，以鋼或鋁制材料作為外殼。此外，在鋰離子電池的生產、封裝過程中，還會用到銅箔、鋁箔、導電炭黑、連接片等輔助材料。在正常工作過程中，鋰離子電池正、負極材料之間的電位差，會促使自由電子通過電解質，在正、負極之間游走，實現充放電。鋰離子電池具有能量密度高、低溫性能好、使用壽命長等特點，在新能源汽車、數碼產品等領域應用廣泛。

3激光焊接在鋰離子電池焊接中的發展現狀

激光焊接在鋰離子電池焊接過程中應用包括電池殼體密封焊接?電池組焊?電池極帶點焊?電池防爆閥點焊?極耳焊接等，其中電池殼體密封焊接?電池組焊應用最為廣泛?鋰離子電池殼體用于密封電芯和電解液?目前普遍采用的殼體材料一般為鋁合金（多為3003系）?電池制造過程中采用殼體與蓋板分離的結構形式，然后再通過焊接工藝將兩者焊接在一起?動力電池之間的串并聯一般通過連接片與單體電池的焊接來完成，連接片常用銅片或鋁片，正負極材料為銅或鋁，其中銅和銅?鋁和鋁一般均采用激光焊接?

電池的焊接質量直接影響了電池的質量?使用壽命和安全性能?目前激光焊接多采用人工上料或手動夾持，焊接效效率和質量較低?鋰離子電池殼體焊接和電池組焊，對目前激光焊接工藝和設備提出了新的挑戰，研究其在鋰離子電池焊接中的應用具有重要意義?

4國內外研究現狀及分析

4.1激光焊接工藝的研究

鋰離子電池殼體?電池組連接板?正極端材料多使用鋁材?鋁合金對激光有較高的反射率，且焊接過程容易產生變形?裂紋;極易產生氣孔?研究激光焊接鋁合金的焊接機理，優化改進現有激光焊接工藝，對提高焊接效率和質量有重要意義?

4.2激光焊接鋰離子電池新型設備的研發

隨著鋰電行業的快速發展，目前使用焊接生產設備已經不能滿足人們對生產效率和焊接質量的需求?結合新的激光焊接工藝，研發激光焊接鋰離子電池新型設備，由人工或半自動化生產向全自動化生產轉變，才能夠與高速發展的鋰電池行業相匹配?

國外有關激光焊接的研究較為成熟，應用在鋰離子動力電池焊接的研究主要集中在激光焊接工藝的研究?KIM.J.D等人使用脈沖Nd：YAG激光器，對鋰離子電池殼體和蓋板?注液口進行焊接實驗，研究了焊縫缺陷產生的原因和解決方法?在電池殼體與蓋板的焊接實驗中，與側面焊接相比，平面焊接可采用一個焊接頭一次性完成焊接，焊接軌跡美觀，穿透性缺陷少，平面焊接效果，如圖1所示?

在注液口密封焊接實驗中，改善原有使用壓頭法壓入密封帽的方式，采用橢圓形凸輪小壓力多次壓入，防止密封帽陷入注液口，降低兩者之間的偏心率和間隙，焊接質量顯著提高?

SCHMITZ為提高電池組焊接的穩定性，對DC04鍍鎳鋼進行了脈沖激光焊接的工藝試驗，研究了矩形脈沖?特形脈沖?尖脈沖和傾斜脈沖四種不同的脈沖激光焊接工藝，采用脈沖激光焊接后截面情況，如圖2所示?通過對比分析四種工藝焊接后柱狀電池連接接頭的焊縫質量?力學性能?導電性能等，確定了脈沖激光在電池單元組焊中有較高的適用性?

國內學者在研究激光焊接工藝對焊接質量影響的同時，設計并研發了動力電池焊接設備或焊接系統?

許為柏等使用3000W的全固態激光器對1.0mm厚的AL3003電池外殼進行焊接實驗，主要研究了激光輸出功率和焊接速度對焊縫寬度和深度的影響?實驗表明，激光輸出功率增大，焊縫寬度深度也隨之增大;增大焊接速度，焊縫寬度減小?通過實驗確定了采用全固態激光進行動力電池材料（AL3003）高速焊接的最佳焊接參數，對后續相關研究具有指導意義?

張健等基于工業機器人的基礎上，研發出動力電池外殼封裝激光自動化焊接系統，該系統能夠對具有復雜幾何尺寸的電池外殼進行封裝焊接?采用工業機器人研制的動力電池殼激光自動化焊接系統?該套設備焦距可變?角度可調?靈活性強，能滿足其封裝，并且產品連續性?一致性好，外觀光亮?規則?可實現多工位連續焊接，易于實現自動化，加工效率是普通工作臺的3倍，為我國動力電池封裝提供了參考?

5總結

隨著激光焊接的發展，新的焊接形式被更多的應用的鋰離子電池焊接中?有關學者專家必然會通過進一步研究，更好的將新的技術和工藝方法應用到鋰電焊接中，實現鋰離子電池焊接設備的高焊接質量?高精度?高度自動化?

參考文獻

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