01 Uvod
Usred pomaka globalne automobilske industrije prema elektrifikaciji, baterije, kao temeljni izvor energije novih energetskih vozila, određuju tržišnu konkurentnost električnih vozila kroz njihovu izvedbu, sigurnost i cijenu. Proizvodnja energetskih baterija složen je proces koji uključuje interdisciplinarno znanje uključujući znanost o materijalima, elektrokemiju i precizno inženjerstvo. Visoko-kvalitetna tehnologija povezivanja ključna je karika u ovom procesu. Tradicionalne metode spajanja, kao što je otporno zavarivanje i ultrazvučno zavarivanje, sve više pokazuju ograničenja-kao što su veliki toplinski učinci, loša konzistencija i uski prozori parametara procesa-kada se radi o velikoj-automatiziranoj proizvodnji baterija za napajanje i rukovanju materijalima visoke toplinske vodljivosti poput bakra i aluminija. Tehnologija laserskog zavarivanja, sa svojom visokom gustoćom energije, kontroliranim unosom topline, be-kontaktnom prirodom i lakoćom automatizacije, ispunjava stroge zahtjeve proizvodnje energetskih baterija za preciznost, učinkovitost i pouzdanost, te je postala temeljni proces u cijelom tijeku rada od proizvodnje ćelija do sastavljanja paketa baterija. Ovaj rad ima za cilj ilustrirati specifične primjene tehnologije laserskog zavarivanja u različitim fazama proizvodnje energetskih baterija i sažeti njenu značajnu ulogu u promicanju razvoja industrije energetskih baterija.
02 Primjena u fazi proizvodnje baterijskih ćelija
Baterijska ćelija temeljna je jedinica električne baterije, a njena preciznost proizvodnje i brtvljenje bitna su jamstva sigurnosti i performansi baterije. Lasersko zavarivanje uglavnom se koristi za precizno spajanje i konačno brtvljenje baterijskih ćelija. Prvo, za električne spojeve unutar baterije koristi se lasersko zavarivanje za zavarivanje jezičaca. Nakon što je proces namotavanja ili slaganja završen, potrebno je čvrsto zavariti jezičke pozitivne (aluminijska folija) i negativne (bakrena folija) elektrode, koje se mogu sastojati od desetaka ili čak stotina slojeva, zajedno sa strujnim kolektorima, i formirati pouzdan električni put s vanjskim terminalima ili spojnim dijelovima, kao što je prikazano na slici 1. Lasersko zavarivanje može trenutačno stopiti ove tanke materijale s iznimno kratkim trajanjem impulsa, tvoreći zavarene točke s malim otporom i velikom čvrstoćom. Njegova prednost leži u minimalnoj zoni utjecaja topline, čime se učinkovito izbjegava toplinsko oštećenje susjednih separatora i aktivnih materijala, čime se čuva elektrokemijska izvedba baterije.
Drugo, u završnoj fazi pakiranja baterijskih ćelija, lasersko zavarivanje jedna je od učinkovitih metoda za postizanje hermetičkog brtvljenja. U isto vrijeme, lasersko zavarivanje koristi se za spajanje gornjeg poklopca i kućišta u kvadratnim baterijama s aluminijskim omotačem i cilindričnim baterijama s čeličnim omotačem. Preciznom kontrolom snage lasera, brzine i žarišnog položaja, na kućištu se može oblikovati kontinuirani, glatki i gusti zavareni šav, koji učinkovito sprječava curenje elektrolita i ulazak vanjske vlage, osiguravajući kemijsku stabilnost baterije tijekom njezina vijeka trajanja. Za ćelije vrećice, lasersko zavarivanje se koristi u postupcima gornjeg brtvljenja i bočnog brtvljenja, zavarivanjem izbočenih jezičaca na spojne i zaštitne prijelazne dijelove (obično poniklani bakar ili aluminij). Njegova be-kontaktna priroda osigurava učinkovitost pakiranja i nultu štetu na materijalu za pakiranje od aluminijske-plastične folije, kao što je prikazano na slici 2.
03 Primjena u fazi sastavljanja baterijskih modula i paketa baterija uključuje integraciju pojedinačnih ćelija u module i pakete baterija, zahtijevajući veliku količinu električnih priključaka i strukturalnog pričvršćivanja. Ovo je faza u kojoj je lasersko zavarivanje najkoncentriranije i tehnički najizazovnije. Što se tiče električnih veza, glavna primjena je serijsko i paralelno zavarivanje između ćelija. Spajanjem sabirnica (obično aluminijskih ili bakrenih šipki) na stezaljke ćelija, konstruira se sustav električnog kruga cijelog baterijskog sklopa.
Poteškoće u ovom procesu leže u: 1) izazovima karakteristika materijala-bakar i aluminij imaju visoku refleksivnost u odnosu na infracrvene lasere koji se često koriste i visoku toplinsku vodljivost, što otežava zavarivanje; 2) spajanje različitih materijala, kao što je veza između bakrenih sabirnica i aluminijskih terminala, koja je sklona stvaranju krhkih intermetalnih spojeva (IMC) koji utječu na dugoročnu-pouzdanost veze. Kako bi odgovorila na te izazove, industrija je razvila napredne procese kao što su oscilirajuće lasersko zavarivanje, hibridno zavarivanje (npr. laser-luk) i korištenje lasera novih valnih duljina kao što su zeleni ili plavi laseri. Ove tehnologije učinkovito suzbijaju nedostatke poput prskanja i poroznosti i kontroliraju debljinu IMC sloja širenjem bazena rastaljene tvari, poboljšavajući miješanje i povećavajući apsorpciju energije, čime se postižu električni spojevi. U pogledu konstrukcijskih veza važnu ulogu ima i lasersko zavarivanje. Na primjer, može se koristiti za strukturne komponente kao što su bočne ploče modula i završne ploče koje učvršćuju ćelije, kao i za spajanje kućišta i poklopca baterije. U usporedbi s tradicionalnim vijčanim ili zakovnim spojevima, lasersko zavarivanje može postići viši stupanj integracije i čvrstoće strukture, što pomaže u poboljšanju otpornosti baterije na vibracije i udarce. Osim toga, sićušni zavari u krugovima za prikupljanje podataka senzora napona i temperature u sustavima za upravljanje baterijama sve se više izrađuju pomoću laserskog zavarivanja kako bi se osigurala dugoročna -stabilnost i pouzdanost prikupljanja signala.
04 Sažetak Laserska tehnologija zavarivanja, sa svojom visokom preciznošću, brzinom i pouzdanošću, integrirana je u svaki korak proizvodnje energetskih baterija. Od mikrorazmjernog zavarivanja jezičaka ćelija do makrorazmjernih strukturalnih veza paketa baterija, od hermetičkog pakiranja koje osigurava sigurnost ćelija do električnih veza s niskim-otporom koji određuju učinkovitost baterije, lasersko zavarivanje igra nezamjenjivu ključnu ulogu. Ne samo da učinkovito rješava izazove obrade teško{4}}za-zavarivanja materijala kao što su bakar i aluminij, ispunjavajući zahtjeve učinkovitosti i konzistentnosti velike-automatizirane proizvodnje, nego također maksimizira zaštitu elektrokemijskih performansi baterije kroz preciznu kontrolu topline zavarivanja. Sazrijevanje i razvoj tehnologije laserskog zavarivanja postali su ključni tehnološki pokretač povećanja gustoće energije akumulatora, smanjenja troškova proizvodnje i poboljšanja sigurnosnih performansi, pružajući čvrste temelje proizvodnje za brzi razvoj globalne industrije novih energetskih vozila.
