鋰離子電池系統(tǒng)連接技術(shù)的工藝研究

張玉坤，張?jiān)葡?，鄒朝輝

(廣汽豐田汽車有限公司，廣東 廣州 511455)

近年來(lái)，隨著政府倡導(dǎo)保護(hù)環(huán)境和減少石化能源依賴的政策推行，以及人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題的日益關(guān)注，電動(dòng)汽車由于低碳、環(huán)保、節(jié)能等特點(diǎn)，在汽車市場(chǎng)的占有率呈現(xiàn)出指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。由于鋰離子電池系統(tǒng)高能量比、高功率比、長(zhǎng)循環(huán)壽命、安全可靠的優(yōu)勢(shì)，目前，鋰離子電池已逐漸成為了電動(dòng)汽車最重要的動(dòng)力源[1，2]。

由于鋰離子電池技術(shù)發(fā)展時(shí)間較燃油技術(shù)短，目前技術(shù)尚未成熟，關(guān)于電動(dòng)汽車鋰離子電池發(fā)生自燃、碰撞起火等安全事故，不斷見(jiàn)諸報(bào)端。鋰離子電池系統(tǒng)發(fā)生安全故障，其影響因素有很多，如：充放電過(guò)度、短路、碰撞、高溫、連接松脫，等[3]。而這其中，由于連接松脫導(dǎo)致的安全事故較多，而且連接松脫存在不確定性大、診斷困難等難點(diǎn)，因此研究鋰離子電池系統(tǒng)的連接技術(shù)，對(duì)于鋰離子電池系統(tǒng)的連接性能提高、工藝優(yōu)化以及生產(chǎn)制造工程的過(guò)程管理強(qiáng)化，具有重要意義[4]。

鋰離子電池系統(tǒng)中，涉及到連接技術(shù)的工藝過(guò)程比較多，從工藝過(guò)程來(lái)看，主要有三個(gè)層級(jí)之間的連接：?jiǎn)卧姵貙蛹?jí)的電極到極片(Electrodes-to-Tab)和箱體密封(Case Sealing)、模組層級(jí)的單元電池到單元電池(Cell-to-Cell)、電池包層級(jí)的模組到模組(Module-to-Module)，如圖1所示[5]。由于鋰離子電池系統(tǒng)由眾多的單元電池、模組等組成，因此其涉及的連接技術(shù)也非常多。常見(jiàn)的連接技術(shù)有：超聲波焊、電阻點(diǎn)焊、激光焊、脈沖TIG焊、機(jī)械連接等[6]。本文結(jié)合以上幾種連接技術(shù)在鋰離子電池系統(tǒng)的應(yīng)用成果，對(duì)各種連接技術(shù)加工工藝中的影響因素進(jìn)行了探究。

圖1 鋰離子電池系統(tǒng)連接技術(shù)層級(jí)Fig.1 Lithium-ion battery system connection technology level

1 超聲波焊接

超聲波焊接是一種固態(tài)焊接工藝，工件無(wú)需熔化，而是利用高頻超聲(通常20kHz以上)的機(jī)械振動(dòng)能量，使工件加緊并摩擦熔合一起。超聲波焊接可以廣泛應(yīng)用于多種形式金屬箔片的連接，既適用于同種材質(zhì)工件之間的焊接，也適用于不同熔點(diǎn)的不同材質(zhì)工件之間的焊接。此外，由于其高效快速，可以在低溫下操作，以及適用于環(huán)保等因素，超聲波焊接還被廣泛應(yīng)用于電池系統(tǒng)的連接。限制超聲波焊接在鋰離子電子系統(tǒng)的應(yīng)用，主要是由于焊接厚度低(<3mm)，以及無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)高強(qiáng)度材料工件的焊接[7]。

影響超聲波焊接質(zhì)量的工藝參數(shù)，與超聲波焊接在其它領(lǐng)域的應(yīng)用類似，主要有焊接壓力、焊接振幅、焊接時(shí)間[8]。焊接工藝參數(shù)對(duì)鋰離子電池系統(tǒng)的焊接性能影響較大，主要體現(xiàn)在焊接質(zhì)量、機(jī)械性能、電性能、熱性能等。

Das等[9]研究了焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接機(jī)械性能的影響，將0.3mm的銅極片超聲波焊接至1mm銅極耳制備樣件，通過(guò)T剝離強(qiáng)度試驗(yàn)(圖2)，來(lái)研究工藝參數(shù)的變化對(duì)機(jī)械性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，焊接壓力在0.5bar～4.0bar變化，當(dāng)焊接壓力為1.5bar時(shí)，達(dá)到最大剝離強(qiáng)度。焊接振幅為30μm～50μm，隨著焊接振幅逐漸增大，剝離強(qiáng)度變化不大，當(dāng)焊接振幅增大到45μm之后，剝離強(qiáng)度迅速增大。當(dāng)焊接時(shí)間為0.15s～0.55s時(shí)，剝離強(qiáng)度隨著焊接時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增大。綜上所述，最終優(yōu)化出0.3mm的銅極片焊接至1mm銅極耳的超聲波焊接工藝參數(shù)為：焊接壓力1.5bar、焊接振幅50μm、焊接時(shí)間0.55s。

圖2 T剝離試驗(yàn)裝置Fig2 T-peeling test unit

Lee等[10]分別用0.4mm和1.0mm的銅片，通過(guò)超聲波焊接，研究了工藝參數(shù)對(duì)焊接性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，焊接時(shí)間在0.2s～1.0s變化，焊接剛開(kāi)始時(shí)，維氏硬度相對(duì)于原材料有了40%的提升，但是隨著焊接時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，硬度迅速降低，甚至低于原材料的硬度。這是由于焊接剛開(kāi)始，機(jī)械振動(dòng)相當(dāng)于對(duì)銅片進(jìn)行了冷加工，提高了銅片的維氏硬度。但是，隨著焊接時(shí)間延長(zhǎng)，金屬材料超聲波焊接過(guò)程中，表現(xiàn)出加工塑化行為，其掃描電鏡結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同焊接時(shí)間樣本SEM圖Fig.3 SEM images of samples with different welding times

超聲波焊接不同工藝參數(shù)之間相互影響，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，需要綜合調(diào)整進(jìn)行考慮。同時(shí)，受材質(zhì)的影響也比較大，主要原因有兩點(diǎn)，一是由于不同材質(zhì)對(duì)應(yīng)敏感的焊接振幅不同；另外，即使相同振幅，不同材質(zhì)的最優(yōu)焊接工藝參數(shù)也不同。如Das等[9]在研究銅片超聲波焊接工藝參數(shù)對(duì)T剝離強(qiáng)度的影響時(shí)，同時(shí)也對(duì)相同厚度的鋁材質(zhì)樣品進(jìn)行了研究，結(jié)果優(yōu)化出的工藝參數(shù)為：焊接壓力1.5bar、焊接振幅50μm、焊接時(shí)間0.35s。

2 電阻點(diǎn)焊

電阻點(diǎn)焊是在焊接過(guò)程中，通過(guò)電極加緊工件，并導(dǎo)通電流，然后依賴金屬工件界面的電阻產(chǎn)生局部熱量，使工件進(jìn)行熔合。由于電阻點(diǎn)焊具有工藝相對(duì)成熟、易于控制、成本低、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此在傳統(tǒng)汽車制造業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。同樣，電阻點(diǎn)焊在鋰離子電池的連接方面，也有廣泛的應(yīng)用，特別是小尺寸圓柱形電池單元的制造方面，如圖4所示。

圖4 電池單元的電阻點(diǎn)焊Fig.4 Resistance spot welding of battery unit

影響電阻點(diǎn)焊的工藝參數(shù)有電流、壓力、加壓時(shí)間等，其中最重要的是峰值電流和峰值電流時(shí)間。這是由于電流過(guò)低或峰值電流時(shí)間過(guò)短，工件界面不足以產(chǎn)生局部熔融所需的熱量，從而無(wú)法形成連續(xù)的熔合。但是峰值電流和峰值電流時(shí)間也不能過(guò)大，因?yàn)槿绻ぜL(zhǎng)時(shí)間暴露于峰值電流，可能產(chǎn)生過(guò)量的局部熱量，從而使材料產(chǎn)生汽化。因此，為了制造優(yōu)良品質(zhì)的鋰離子電池系統(tǒng)，需要優(yōu)化出合適的電阻點(diǎn)焊工藝參數(shù)。

電阻點(diǎn)焊應(yīng)用于鋰離子電池系統(tǒng)的連接，面臨著諸多挑戰(zhàn)。主要有三點(diǎn)：(1)鋰離子電池常用的高導(dǎo)電率材料，不適用于電阻點(diǎn)焊，如用作電極和極片的銅和鋁，由于高導(dǎo)電率難以被實(shí)施電阻點(diǎn)焊；(2)電阻點(diǎn)焊是使工件熔融達(dá)到焊接的目的，不同材料由于其熔點(diǎn)不同，難以被焊接；(3)難以適用于多層工件的焊接，以及難以產(chǎn)生較大的焊核，一般為0.9mm～2.0mm[11]。但是Das等[12]發(fā)現(xiàn)在對(duì)低厚度工件進(jìn)行電阻時(shí)，不同材料的焊接(0.3mm厚度的Cu-to-Al)，相對(duì)于同種材料的焊接(0.3 mm Cu-to-Cu和Al-to-Al)，具有更大的焊核，并表現(xiàn)出更優(yōu)的焊接強(qiáng)度。并且Cu片作為上工件，Al片作為下工件，會(huì)有更好的結(jié)果。

3 激光焊

激光焊是一種非接觸式的焊接工藝，通常在幾毫秒時(shí)間內(nèi)，激光束產(chǎn)生熱量對(duì)工件進(jìn)行加熱，同時(shí)將多層金屬連接在一起。一般用于電解液容器、連接件和母線的焊接。作為一種非接觸式焊接工藝，激光焊對(duì)于鋰離子電池系統(tǒng)的連接有相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)。由于激光焊在所有焊接工藝中的熱影響區(qū)最小，且可以運(yùn)用于多層片材的連接，以至于激光焊被認(rèn)為是鋰離子電池系統(tǒng)最有效的焊接工藝，激光焊應(yīng)用例如圖5所示。

圖5 激光焊應(yīng)用Fig.5 Application of laser welding

激光焊的工藝影響因素比較多，主要有擺動(dòng)相關(guān)的擺動(dòng)頻率和振幅，激光相關(guān)的功率頻率和脈沖時(shí)間，以及設(shè)備相關(guān)的移動(dòng)速率和聚焦范圍。Shaikh等[13]使用150 W Quasi-CW IR激光器，通過(guò)激光焊將銅制極耳焊接至鋼制圓柱電池箱體，研究了相關(guān)工藝參數(shù)對(duì)機(jī)械性能、電性能和熱性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，激光相關(guān)參數(shù)，功率、頻率和脈沖時(shí)間和樣件的剪切強(qiáng)度成正相關(guān)，而脈沖時(shí)間呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，因此優(yōu)化出最佳工藝參數(shù)，功率為40%、速率為500mm/min、脈沖時(shí)間2ms、頻率50Hz。

但是相關(guān)研究工作者也發(fā)現(xiàn)[14]，激光焊對(duì)工件裝配位置精度要求高，并且需要焊接材料滿足高反射率、高熱導(dǎo)率等性能，因此又讓激光焊在鋰離子電池連接方面的實(shí)施應(yīng)用增加了難度。通過(guò)廣大工作者不斷探索，最終總結(jié)出了相應(yīng)的對(duì)應(yīng)經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)焊接極耳到端子時(shí)，極耳需要比電池箱體端子的厚度薄，同時(shí)加工工藝參數(shù)需要嚴(yán)格控制，能提供足夠的焊接能量，又不至于穿透電池箱體。Brand等[15]發(fā)現(xiàn)由于激光焊的熔池很小，間隙公差小，因此在進(jìn)行極耳焊接時(shí)，將極耳加緊在電池上，可以得到較好的結(jié)果。

4 脈沖TIG焊

脈沖TIG(Tungsten Inert Gas，鎢極氣體保護(hù)焊)焊，又稱微TIG，是運(yùn)用非熔化鎢電極產(chǎn)生電弧，并在惰性氣體下進(jìn)行工作的焊接工藝。脈沖TIG焊接工藝，具有操作過(guò)程簡(jiǎn)單、焊縫美觀、質(zhì)量高等特點(diǎn)，由于脈沖TIG焊的清潔機(jī)制，可以清理鋁合金的電阻氧化膜，因此比較適用于鋁質(zhì)鋰離子電池系統(tǒng)箱體的連接[16]。

影響脈沖TIG焊接質(zhì)量的工藝參數(shù)較多，有焊接電流、焊接速度、電弧電壓、焊接送絲速度、焊接直徑以及操作因素等[17]。王澤力[18]針對(duì)鋁合金的TIG焊，采用單變量法，研究了焊接電流、焊接速度、送絲速度，對(duì)熔深、焊接形貌等焊接質(zhì)量的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，熔深與焊接電流呈正相關(guān)，如圖6所示，與焊接速度、送絲速度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，且焊接電流對(duì)熔深的影響最大。結(jié)合表面形貌、熔覆層高、熔寬，優(yōu)化出工藝參數(shù)為，焊接電流125 A、焊接速度200mm/min、送絲速度1100mm/min。

圖6 各參數(shù)對(duì)熔深的影響Fig.6 Inflence of various parameters on penetration

同時(shí)，也有研究學(xué)者[19]指出，由于脈沖TIG焊熱量較高，鋁合金材質(zhì)易發(fā)生變形，產(chǎn)生裂紋，不利于鋰離子電池系統(tǒng)箱體的尺寸精度控制，并影響箱體的強(qiáng)度，后期用戶使用過(guò)程中可能發(fā)生連接失效。因此，在生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于可能產(chǎn)生的缺陷，需要提前識(shí)別，并做好相應(yīng)的規(guī)避。

5 機(jī)械連接

已有的研究資料表明，多種機(jī)械方式可以用于鋰離子電池系統(tǒng)的連接，如螺母、螺栓、螺釘或卡扣等，如圖7所示。

圖7 螺栓式機(jī)械連接Fig.7 Mechnical joining for bolted tabbed cells

機(jī)械連接具有強(qiáng)度高、易于拆卸維修的優(yōu)勢(shì)，而且通常操作過(guò)程無(wú)需熱量。機(jī)械連接工藝，在工業(yè)制造過(guò)程中，人們研究的比較多，這里不再贅述。但是，不同機(jī)械連接工藝，在選用過(guò)程中，也需要注意其特點(diǎn)。Fussel等[20]研究了螺母和螺栓、流動(dòng)鉆孔螺釘和螺紋成型螺釘?shù)炔煌菟ㄟB接，用于電氣的連接，并測(cè)試了其電阻。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些機(jī)械連接后的電阻隨著時(shí)間推移而增大。而且對(duì)于螺栓和螺釘連接，連接電阻的變化，還受到了連接對(duì)象的電阻率、幾何形狀以及涂層和工藝參數(shù)變化的影響。

6 其他

由于鋰離子電池系統(tǒng)涉及到的工藝程序較多，因此，除了以上介紹的幾種連接技術(shù)之外，目前運(yùn)用到的連接技術(shù)還有攪拌摩擦焊、引線鍵合、釬焊、粘接等[21-23]。

如此眾多的連接技術(shù)，在進(jìn)行鋰離子電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，為了選擇合適的連接技術(shù)，Das等[24]在不同使用場(chǎng)景下，從連接強(qiáng)度、電阻、耐久、成本等多個(gè)角度，利用決策矩陣(Pugh matrix)分析出了各種理想的連接技術(shù)。如，圓柱形電池組成的模組層級(jí)的連接和軟包電池組成的模組層級(jí)的連接，理想的連接技術(shù)分別為超聲波焊接、激光焊、TIG焊。

7 結(jié)語(yǔ)

隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展推動(dòng)，鋰離子電池系統(tǒng)的連接技術(shù)也得到了長(zhǎng)足進(jìn)步。同時(shí)，高質(zhì)量鋰離子電池系統(tǒng)的生產(chǎn)也逐漸成為電池生產(chǎn)制造領(lǐng)域最關(guān)鍵的問(wèn)題。為了滿足人們對(duì)高質(zhì)量鋰離子電池系統(tǒng)的需求，有必要對(duì)連接技術(shù)進(jìn)行更深入的技術(shù)研究。除了可以對(duì)連接狀況進(jìn)行CT檢查、視覺(jué)檢查外，還可以引入CAE分析，模擬連接工藝過(guò)程，優(yōu)化工藝參數(shù)，減少試驗(yàn)次數(shù)，提高生產(chǎn)效率和連接性能結(jié)果。相信隨著連接技術(shù)研究的不斷深入，各類連接技術(shù)的工藝要素越來(lái)越清晰，生產(chǎn)制造過(guò)程控制越來(lái)越精細(xì)，鋰離子電池系統(tǒng)的質(zhì)量更加具有保障，從而助推電動(dòng)汽車再上一個(gè)新的高度。