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2021/7/1 15:32

一文解读:锂电池加工为何应选择激光技术?

华南先进激光及加工应用技术展览会  

对于新能源汽车中的核心配件——锂电池的制造,激光技术再次被行业一致认同为优化的制造方式,激光技术在锂电池的加工中究竟有何优势?本文将为您浅作分析。

新能源车加速发展,锂电池成为核心关键

新能源汽车的概念反复席卷资本市场,吸引了消费者的广泛关注,不停吸纳各行业巨头的目光。随着“碳达峰、碳中和”等概念的推出,新能源车已不仅是一种新概念交通工具,更是实现“绿水青山”的重要方式,在未来,新能源汽车还将有巨大的市场潜力有待挖掘。据国务院办公厅2020年11月2日发布的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》预计,到2025年国内新能源汽车新车销售量将达到汽车新车销售总量的20%左右,而当前这一数据约为4%~5%之间,侧面反映出未来市场至少还有三倍的成长空间。

新能源车包括混合动力电动汽车(HEV)以及燃料电池电动汽车(FCEV)等技术路线。不过当下,新能源车一般仅指纯电动车路线,即我们熟悉的特斯拉以及一众造车新势力。而纯电动车的核心部件则是:锂电池。

作为一种新型的清洁能源,锂电池不仅可以为新能源汽车提供动力,还可以为电动列车、电动自行车、高尔夫球车等各类产品提供动力。锂电池的生产制造是由一个个工艺步骤严密联络起来的,其生产过程大致包括极片制造、电芯制作以及电池组装三部分。因此,锂电池质量直接决定新能源车辆的性能,从而对其制造技术和装备提出严格的要求。以激光焊接和切割为代表的激光技术作为先进的“光”制造工具,展现出高效精密、灵活、可靠稳定、焊材损耗小、自动化和安全程度高等特点,被广泛应用于动力锂电池的制程中。

激光加工技术在新能源锂电领域中的应用

1.激光切割

锂电池加工对精确性、可控性和加工机器的质量要求比较高,在激光技术出现前,锂电池产业通常使用传统机械进行加工和切割,但传统模切刀设备在使用过程中,会不可避免地出现磨损,粉尘掉落并产生毛刺,可能进而引起电池过热、短路、甚至爆炸等各类危险问题。

为了避免危险,使用激光进行切割更适合。与传统的机械切割相比,激光切割拥有无工具磨损、切割形状灵活、边缘质量控制、精确性更高和运营成本较低等优势,有利于降低制造成本、提高生产效率、大幅缩短新产品模切周期。锂电池作为新能源汽车的核心零部件,直接决定整车性能。随着新能源汽车市场的逐步爆发,激光切割未来将有很大的市场潜力。

锂电池的生产步骤是典型的“roll-to-roll”过程,需经历从薄膜到单个电池以及单个电池组装成电池系统的加工过程。典型的锂电池有三层薄膜——阳极膜、隔离膜和阴极膜,如下图所示。

电极镀层厚度通常为100 μm,而隔离膜为50 μm。阳极膜是镀石墨的铜膜,阴极膜是镀锂金属氧化物的铝膜,隔离膜则由聚丙烯和聚乙烯构成。锂电池生产过程:

由于对精确性、可控性和加工机器的质量要求较高,金属箔分切(foil slitting),金属箔切割(foil cutting)和隔离膜切割(separator foil cutting)等需要运用到切割工艺的环节更适合使用激光进行加工。

金属箔分切(foil slitting)

金属箔分切环节是指根据电池的设计,将一卷金属箔沿长边切成细长条。适用于该环节的是红外脉冲激光,可以高速高质量地分切电极镀层。如果对分切宽度和质量有更精密的要求,也可以考虑脉冲绿光和紫外光。

金属箔切割(foil cutting)

金属箔切割环节是指参照电池的设计,将细长条状的阳极膜和阴极膜切割成需要的形状。根据电池设计不同以及金属箔卷是否完整镀膜,可以选择或调整光束使之切割镀层或仅切割金属箔。该环节适用的激光器与铝箔分切环节相同。

隔离膜切割(separator foil cutting)

与铝箔切割类似,覆盖膜也要参照电池设计切割成需要的形状。因为隔离膜由有机化合物构成,脉冲紫外激光是最合适的选择。

2.激光焊接

一个锂电池的生产有十几个步骤,而激光焊接机的作用是为客户提供整套锂电池生产装备,确保电池在运行过程中的续航里程和安全性。相比传统的氩弧焊、电阻焊等方式,超声波焊接激光焊接具有显著优势:一是热影响区小,二是非接触加工,三是加工效率高。从激光焊接来看,锂电池主要的焊接材料包括铝合金和铜合金。电池外壳形状主要分为方形和圆柱。目前,方形电池在国内的普及率比较高。焊接方式主要包括拼接焊和叠焊。在新能源锂电领域,激光焊接技术已经大规模用于极耳、电芯壳体、密封钉、软连接、防爆阀、电池模组等焊接。

激光焊接能量集中,焊接效率高、加工精度高,焊缝深宽比大。激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引,可放置在离工件适当之距离,在工件周围的夹具或障碍间再导引。工作过程中激光束的热输入量小,热影响区小,工件残余应力和变形小,可达到精确焊接。由于动力电池的电芯遵循着“轻便”的原则,所以其材料一般为铝合金且要薄,所以一般壳、盖、底基本都要求达到1.0 mm 以下。主流厂家目前基本材料厚度均在0.8 mm 左右,为将这些薄片焊接在一起,使用激光进行焊接是非常有必要的。

3.激光清洗

锂电池的生产制造包括极片制造、电芯制作以及电池组装三部分。在3个制程中增加激光清洗可以极大提高电池制造工艺水平。

极片涂覆前激光清洗

锂电池的正负极片是在金属薄带上涂覆锂电池正负极材料而成,金属薄带在涂覆电极材料时,需要对金属薄带进行清洗,金属薄带一般为铝薄或铜薄,原来的湿式乙醇清洗,容易对锂电池其他部件造成损伤。激光干式清洗机能够有效解决以上问题。

电池焊接前激光清洗

采用脉冲激光直接辐射去污,使其表面温度升高而发生热膨胀,热膨胀使污染物或者基底振动,从而使污染物克服表面吸附力脱离基底表面从而达到去除物体表面污渍的目的。这种方式可以有效地去除电芯极柱端面的污物、粉尘等,为电池焊接提前做准备,以减少焊接的不良品。

电池组装过程中激光清洗

为了防止锂电池发生安全事故,一般需要对锂电池电芯进行外贴胶处理,以起到绝缘的作用,防止短路的发生以及保护线路、防止刮伤。对绝缘板、端板进行激光清洗,清洁电芯表面脏污,粗化电芯表面,提高贴胶或涂胶的附着力,且清洗后不会产生有害污染物,属于环保的绿色清洗方法,这在全球高度关注环保的情况下越发显出它的重要性。

标签清洗(tab cleaning)

特定情况下,需要移除石墨和锂金属氧化物以显露出裸铜或铝箔标签。该步骤的关键在于移除镀膜材料的同时不损害其下方的金属箔。适合该环节的技术为脉冲红外激光。

4.激光打标

激光打标速度快、生产效率高、呈现效果好,因此也被逐渐应用于锂电池的生产及加工中,且设备使用寿命长、操作简便、没有耗材,能够有效节省成本与人工费。在锂电池的加工过程中,可以使用激光在其表面打上编码、字符、生产日期、防伪码等信息,不仅不会伤害到锂电池,更能提升电池整体的美观度。激光打标的特色是非接触性,能够在任何规则或者不规则物体外表进行打印并标记,工件在被打标之后,不会产生内应力和形变,既保证了工件的原有精度,同时不会对其表层造成腐蚀、磨损、毒害及污染,大大提升了加工效率。

华南先进激光及加工应用技术展览会开辟激光器专区,激光搭配锂电,行业应用成重要展示环节

2021华南先进激光及加工应用技术展览会将于10月28-30日在深圳国际会展中心(宝安新馆)举办,展会将开辟全新激光器专区,联手激光器知名企业,展示先进激光器各类应用范围及案例,应用领域覆盖新能源/锂电、半导体、消费电子、医疗等多个行业,致力于打造激光器展示精细化平台。展会将携手中国光学学会激光加工专业委员会,依托华南地区智能制造优质资源背景,聚焦新基建,深度剖析先进激光器技术热点,大规模集结精英激光器企业,填补华南地区激光器展示市场空白,直击用户技术难点,引发激光新场景!

展馆布局图

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本文部分素材来源:

[1]国务院办公厅关于印发新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)的通知.2020.11.02

http://www.gov.cn/zhengce/content/2020-11/02/content_5556716.htm

[2]石瑜捷: MRI:2025年新能源汽车渗透率达20%,基础设施进一步完善——《新能源汽车发展规划(2021-2035年)》点评.我的钢铁网.2020.11.03

https://news.mysteel.com/20/1103/17/C423C2EBB42E6EB0.html

[3]放大灯公众号

[4]OFweek科维网·激光

[5]腾讯新闻

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