表面焊接技術(shù)在鋰電池制備中的應(yīng)用和發(fā)展

王 磊，張祥功

應(yīng)用研究

表面焊接技術(shù)在鋰電池制備中的應(yīng)用和發(fā)展

王 磊，張祥功

（武漢船用電力推進(jìn)研究所，武漢 430064）

本文介紹了鋰離子電池組常用的焊接方式——電阻焊、超聲波焊以及激光焊，簡述了不同焊接方式的特點(diǎn)及應(yīng)用，分析不同焊接技術(shù)在鋰電池制備的挑戰(zhàn)和發(fā)展，指出電阻焊受到焊接界面焦耳熱積累不足的限制；超聲波焊、激光焊的焊接品質(zhì)易受到金屬間化合物的影響，金屬化合物的特征在于易脆、高硬度、高電阻率。

鋰離子電池 電阻焊 超聲波焊接 激光焊接

0 引言

考慮到環(huán)境和能源等因素，汽車電動(dòng)化已經(jīng)越來越重要。一些城市開始采取必要措施限制內(nèi)燃機(jī)在汽車上的應(yīng)用，在不久的將來，傳統(tǒng)汽車將逐漸被新能源汽車所替代，新能源汽車最有發(fā)展?jié)摿Φ氖请妱?dòng)汽車。電動(dòng)汽車的核心動(dòng)力是電池組，鋰離子電池組應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。鋰離子單體電芯的容量和電壓有限。電池組需要大量電芯通過串并聯(lián)的方式連接而成，而電芯之間的連接最常用的焊接。如圖1所示，鋰電池組的焊接技術(shù)包括極耳焊接、殼體密封、單體焊接、單元焊接、模塊焊接等方面。動(dòng)力電池的性能直接關(guān)乎到電動(dòng)汽車的性能，焊接技術(shù)是動(dòng)力電池能夠持續(xù)穩(wěn)定輸出能量的關(guān)鍵，因此焊接技術(shù)的發(fā)展對(duì)汽車電動(dòng)化的發(fā)展影響深遠(yuǎn)。

目前，金屬焊接的方式主要包括電阻焊、超聲波焊、激光焊、釬焊和攪拌摩擦焊等。釬焊采用低于被焊接物體熔點(diǎn)的釬料加熱熔融填充到焊接物體的間隙。焊接過程需要施加適當(dāng)?shù)拟F料，對(duì)焊接界面的要求高。攪拌摩擦焊接是將高速旋轉(zhuǎn)的攪拌針插入被焊接物體，攪拌針與被焊接物體發(fā)生摩擦導(dǎo)致塑化，實(shí)現(xiàn)焊接。鋰電池產(chǎn)品焊接物品體積較小、形狀不一，不適合采用攪拌摩擦焊技術(shù)。目前，鋰電池制備過程中，電阻焊、超聲波焊和激光焊占據(jù)較大的市場。如圖1所示，電阻焊在圓柱電芯的制造和電連接中應(yīng)用廣泛。軟包電芯多層極耳焊接、極耳與極片焊接、極片與極柱焊接大多數(shù)采用超聲焊接技術(shù)。激光焊接技術(shù)廣泛應(yīng)用與方形鋁殼電池的安全閥焊接、極耳焊接、電池殼密封焊接以及電池成組焊接。

圖1 焊接技術(shù)在鋰電池制備過程中的應(yīng)用[1]

1 焊接技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用

1.1 電阻焊

電阻焊中，電流流過加壓接觸的焊件，產(chǎn)生的瞬間焦耳熱將金屬熔化，電流斷開后，金屬凝固結(jié)晶，形成致密的焊點(diǎn)。目前國內(nèi)外，新能源汽車廠的電池組底部支撐板大多采用電阻焊技術(shù)。電池廠商在小圓柱電芯的成組焊接上也廣泛使用電阻焊技術(shù)。如圖2所示，在特斯拉某新能源車型的電池組的支撐板采用點(diǎn)焊技術(shù)，并在點(diǎn)焊處施加膠水，增加電池組的密封性。電池組焊接采用電阻點(diǎn)焊，一方面設(shè)備操作簡單、另一方面需要通過加密封膠的方式來實(shí)現(xiàn)電池組的密封，無異增加了生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本。

圖2 （a）特斯拉某車型電池包下殼體及（b）點(diǎn)焊細(xì)節(jié)[2]

1.2 超聲波焊接

超聲波焊接中，焊接電源產(chǎn)生的高頻電流在勵(lì)磁線圈的作用下產(chǎn)生高頻交變磁場。鐵磁性材料在交變磁場的作用下發(fā)生磁致伸縮，在長度上經(jīng)歷交變伸縮。超聲波頻率下的電磁能量轉(zhuǎn)換為超聲波頻率下的機(jī)械振動(dòng)。振動(dòng)傳遞到焊接界面振動(dòng)摩擦生產(chǎn)熱發(fā)生熔化。焊接件之間的微動(dòng)摩擦一方面能夠去除表面氧化層，另一方面也能清潔污漬。在焊接壓力的作用下，焊接件界面的金屬發(fā)生塑形流動(dòng)和冷凝結(jié)晶，實(shí)現(xiàn)固相之間的連接[3]。

超聲波焊接技術(shù)憑借良好的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、精密的壓力傳感和氣動(dòng)系統(tǒng)、較高的焊接精度，在鋰電池制備中應(yīng)用廣泛。在軟包電池的生產(chǎn)過程中，針對(duì)疊片工藝，多層極耳之間采用超聲波焊接實(shí)現(xiàn)預(yù)焊，再把極耳引片與多層極耳焊接。針對(duì)疊片次數(shù)較少的軟包電池，多層極耳與極耳引片直接采用超聲波焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)電連接。在卷繞工藝中，軟包電池( 卷繞工藝) 在正、負(fù)極極片與極耳引片采用超聲波焊接，然后進(jìn)行卷繞，制備電芯單體。

圖3 超聲波焊接原理圖[3]

圖4 （a）測(cè)試表尺寸；（b）實(shí)驗(yàn)使用的接頭類型；（c）工具角的形狀；（d）鐵砧的形狀[4]

1.3 激光焊接

激光焊接機(jī)由于其速度快，精度高，焊接材料損耗低，焊接工件變形小，焊接過程中焊接質(zhì)量高，可以大大提高動(dòng)力電池的安全性、可靠性。同時(shí)，區(qū)別于上文介紹的其它焊接方式，激光焊接最顯著的特點(diǎn)是——非接觸式焊接。激光焊接過程的焊接效率和自動(dòng)化程度高，對(duì)被焊接物體的幾何尺寸要求低，在鋰電池生產(chǎn)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。目前激光焊接技術(shù)在鋰電池制備中應(yīng)用廣泛，包括電池殼密封、電池極耳焊接、泄壓閥焊接、電池組成組焊接等。

如圖5所示，商業(yè)化鋰電池一般為方形鋁殼，其外部殼體材料一般選用為鋁合金材料。激光焊接技術(shù)能夠較好地把上蓋板和下殼體之間密封焊接。殼體內(nèi)部的電芯極耳一般采用采用激光焊接的方式與蓋板上的極柱連接。單個(gè)的方形鋁殼電芯無法滿足動(dòng)力汽車額定電壓和能量要求。如圖6所示，電池組成組的方式是采用激光焊接的方式把匯流排與電芯極柱通過串并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)電連接。匯流排與電芯極柱的激光焊接方式包括：搭接、角焊和激光點(diǎn)焊。

圖5 激光焊在電池殼焊接中的應(yīng)用[5]

圖6 激光連接電池連接的標(biāo)準(zhǔn)方法：角接（左）、搭接（中）、多個(gè)點(diǎn)焊（右）[6]

2 焊接技術(shù)的挑戰(zhàn)與發(fā)展

目前鋰離子電池行業(yè)的發(fā)展正處于上升期，工程師和科研工作者均對(duì)焊接技術(shù)在鋰電池制備的應(yīng)用和發(fā)展進(jìn)行研討。圖7給出電阻焊、超聲波焊和激光焊三種焊接方式的焊接電阻-焊接面積圖。圖7中顯示，隨著面積的增加，三種焊接方式的接觸電阻均減小。其中超聲波焊接中焊接面積的增大，能夠顯著減小其接觸電阻。值得注意的是，盡管激光焊接和電阻點(diǎn)焊的接觸面積相比較小，其焊接方式下接觸電阻仍然較低。這三種焊接方式各有利弊，現(xiàn)逐一介紹焊接技術(shù)的挑戰(zhàn)和發(fā)展。

2.1 電阻焊

電阻焊接是鋰電池組裝中應(yīng)用最多的連接技術(shù)之一，因?yàn)樗哂腥刍娣e小和對(duì)焊接點(diǎn)附近影響小的優(yōu)點(diǎn)。但是，電阻焊接銅箔的強(qiáng)度提高受到焊接界面焦耳熱積累不足的限制。Luo等人[8]利用 Al/Ni反應(yīng)性多層納米箔的放熱反應(yīng)作為銅箔微電阻焊接界面的局部熱源，旨在增加熱量積累并提高接頭強(qiáng)度。在Al/Ni反應(yīng)性多層納米箔的幫助下，兩層銅箔的接頭強(qiáng)度增加到100 N，多層銅箔的接頭強(qiáng)度為500 N。這些結(jié)果為微電阻焊接技術(shù)在鋰電池制造中的電池連接中的應(yīng)用鋪平了道路。

圖7 通過壓力接觸與點(diǎn)焊、超聲波和激光焊接連接的銅箔樣品在接觸面積方面的比較[7]

圖8 微電阻焊接系統(tǒng)的連接工藝由反應(yīng)性多層納米箔輔助。（a）擠壓過程。（b）點(diǎn)燃反應(yīng)性多層納米箔。（c）反應(yīng)性多層納米箔的反應(yīng)和傳播。（d）在施加電極力的情況下保持過程[8]

2.2 超聲焊

超聲波焊接可能由于焊接時(shí)間短、熱輸入低等因素限制金屬中間層的生長。對(duì)異質(zhì)金屬超聲波焊接，界面生產(chǎn)金屬間化合物是不可避免的，金屬間化合物的厚度是影響接頭強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。Liu等[9]研究大功率超聲焊接工藝中金屬間化合物（IMC）中間膜的快速生長機(jī)理，針對(duì)焊接時(shí)間、界面溫度和空位濃度之間的關(guān)系建立分析模型，研究了振動(dòng)幅值和電阻熱對(duì)金屬間厚度增加的影響。結(jié)果表明，增加的熱源可以顯著促進(jìn)超聲波焊接過程。

2.3 激光焊

鋰電池中焊接材料中應(yīng)用最為廣泛的材料為鋁和銅，這兩種材料物理和化學(xué)性質(zhì)存在很大差異，給焊接工藝帶來了很大挑戰(zhàn)。通過分析Al-Cu二元合金，可以觀察到在焊接過程中會(huì)形成不同的金屬化合物（IMC），其特征在于易脆、高硬度、高電阻率。為例提高焊縫的質(zhì)量，需要盡量減少和避免硬度高、易脆的金屬化合物生產(chǎn)。Fetze等[10]探索利用激光束振蕩來控制焊縫的深度和寬度的可能性，在將1毫米厚的鋁搭接焊接到1毫米厚的銅板上。作者發(fā)現(xiàn)，對(duì)于較大的振蕩幅度，熔融區(qū)中的元素混合和裂紋形成都減少。Schmalen等人[11]研究了利用調(diào)制的高亮度激光源和光束振蕩將0.2 mm厚的鋁連接到0.5 mm厚的銅片上的可能性。他們強(qiáng)調(diào)，必須盡量減少材料混合，以提高焊縫的機(jī)械性能。Yan等人[12]還研究了激光功率對(duì)鋁（6061）的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響，由于合金元素的存在而未正確用于電氣應(yīng)用，隨著激光功率的增加，更多的銅擴(kuò)散到焊縫中，導(dǎo)致形成更硬和脆的金屬間化合物。Vincenzo等[13]研究了光斑直徑對(duì)不同激光自生銅鋁搭接焊的影響。使用配備振鏡掃描儀和兩種不同焦距的中等功率光纖激光源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以獲得兩種不同的光斑直徑。結(jié)果表明，較小的光斑直徑促進(jìn)了聲焊縫的形成，更好地控制了穿透深度，減少了金屬的混合，降低了激光功率要求。通過選擇正確的工藝參數(shù)，兩種焦距均可獲得良好的機(jī)械性能和低接觸電阻。

3 結(jié)論

鋰離子動(dòng)力電池作為新興新能源之一，發(fā)展前景良好。焊接技術(shù)在實(shí)現(xiàn)鋰電池自動(dòng)化生產(chǎn)中發(fā)揮巨大優(yōu)勢(shì)。其中電阻焊、超聲波焊和激光焊在鋰電池生產(chǎn)中被廣泛使用。三種焊接方式在不同工序中發(fā)揮中還要的作用，但是仍然存在不足。電阻焊接銅箔的強(qiáng)度提高受到焊接界面焦耳熱積累不足的限制。超聲波焊、激光焊的焊接質(zhì)量容易受到金屬間化合物的影響，其作用及擴(kuò)散機(jī)理在學(xué)術(shù)界尚無定論。聚焦于基礎(chǔ)科學(xué)問題和新穎實(shí)用的工藝方法的創(chuàng)新，是實(shí)現(xiàn)焊接設(shè)備高質(zhì)量、高精度、智能化的基石。

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Application and development of surface welding technology in lithium battery preparation

Wang Lei, Zhang Xianggong

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064)

TM912

A

1003-4862（2022）12-0054-04

2022-01-12

王磊（1991-），男，博士研究生。研究方向：化學(xué)電源。E-mail: wangleihit@foxmail.com