01 Einführung
Angesichts des Wandels der globalen Automobilindustrie hin zur Elektrifizierung bestimmen Power-Batterien als zentrale Energiequelle von Fahrzeugen mit neuer Energie die Wettbewerbsfähigkeit von Elektrofahrzeugen auf dem Markt durch ihre Leistung, Sicherheit und Kosten. Die Herstellung von Energiebatterien ist ein komplexer Prozess, der interdisziplinäres Wissen aus den Bereichen Materialwissenschaft, Elektrochemie und Feinmechanik erfordert. Hochwertige Verbindungstechnologie ist in diesem Prozess ein entscheidendes Bindeglied. Herkömmliche Verbindungsmethoden wie Widerstandsschweißen und Ultraschallschweißen stoßen zunehmend an Einschränkungen-wie große thermische Effekte, schlechte Konsistenz und enge Prozessparameterfenster-bei der großtechnischen{6}}automatisierten Produktion von Energiebatterien und dem Umgang mit Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Kupfer und Aluminium. Die Laserschweißtechnologie erfüllt mit ihrer hohen Energiedichte, dem kontrollierbaren Wärmeeintrag, der berührungslosen Natur und der einfachen Automatisierung die strengen Anforderungen der Herstellung von Energiebatterien an Präzision, Effizienz und Zuverlässigkeit und ist zu einem Kernprozess im gesamten Arbeitsablauf von der Zellproduktion bis zur Batteriepackmontage geworden. Ziel dieses Artikels ist es, die spezifischen Anwendungen der Laserschweißtechnologie in verschiedenen Herstellungsphasen von Leistungsbatterien zu veranschaulichen und ihre wichtige Rolle bei der Förderung der Entwicklung der Leistungsbatterieindustrie zusammenzufassen.
02 Anwendung in der Batteriezellfertigungsphase
Die Batteriezelle ist die Grundeinheit einer Hochleistungsbatterie, und ihre Fertigungspräzision und Abdichtung sind wesentliche Garantien für die Sicherheit und Leistung der Batterie. Das Laserschweißen dient vor allem der präzisen Verbindung und abschließenden Versiegelung von Batteriezellen. Zunächst werden für die elektrischen Verbindungen innerhalb der Batteriezelle die Laschen mittels Laserschweißen verschweißt. Nach Abschluss des Wickel- oder Stapelvorgangs ist es erforderlich, die Laschen der positiven (Aluminiumfolie) und negativen (Kupferfolie) Elektroden, die aus Dutzenden oder sogar Hunderten von Schichten bestehen können, zusammen mit den Stromkollektoren fest zu verschweißen und einen zuverlässigen elektrischen Pfad mit den externen Anschlüssen oder Verbindungsstücken zu bilden, wie in Abbildung 1 dargestellt. Durch Laserschweißen können diese dünnen Materialien mit extrem kurzen Impulsdauern augenblicklich verschmolzen werden, wodurch Schweißpunkte mit geringem Widerstand und hoher Festigkeit entstehen. Sein Vorteil liegt in der minimalen Wärmeeinflusszone, wodurch Hitzeschäden an den benachbarten Separatoren und aktiven Materialien effektiv vermieden werden und so die elektrochemische Leistung der Batteriezelle erhalten bleibt.
Zweitens ist das Laserschweißen in der Endverpackungsphase von Batteriezellen eine der effektivsten Methoden, um eine luftdichte Versiegelung zu erreichen. Gleichzeitig wird Laserschweißen verwendet, um die obere Abdeckung und das Gehäuse sowohl bei Batterien mit quadratischem Aluminiumgehäuse als auch bei Batterien mit zylindrischem Stahlgehäuse zu verbinden. Durch die präzise Steuerung der Laserleistung, -geschwindigkeit und -fokusposition kann eine durchgehende, glatte und dichte Schweißnaht am Gehäuse gebildet werden, die das Austreten von Elektrolyt und das Eindringen von Feuchtigkeit von außen wirksam verhindert und so die chemische Stabilität der Batteriezelle über ihre gesamte Lebensdauer gewährleistet. Bei Pouch-Zellen kommt Laserschweißen bei der oberen und seitlichen Versiegelung zum Einsatz, wobei die hervorstehenden Laschen mit den Verbindungs- und Schutzübergangsstücken (normalerweise vernickeltes Kupfer oder Aluminium) verschweißt werden. Seine berührungslose Beschaffenheit sorgt für Verpackungseffizienz und verhindert Schäden am Aluminium-Kunststofffolien-Verpackungsmaterial, wie in Abbildung 2 dargestellt.
03 Bei der Anwendung in der Montagephase von Batteriemodulen und Batteriepacks geht es um die Integration einzelner Zellen in Module und Batteriepacks, was einen hohen Anteil an elektrischen Verbindungen und strukturellen Befestigungen erfordert. Dies ist die Phase, in der das Laserschweißen am konzentriertesten und technisch anspruchsvollsten ist. Im Hinblick auf elektrische Verbindungen liegt die Kernanwendung in der Reihen- und Parallelverschweißung zwischen Zellen. Durch die Verbindung der Stromschienen (normalerweise Aluminium- oder Kupferschienen) mit den Zellanschlüssen wird das elektrische Schaltsystem des gesamten Batteriepakets aufgebaut.
Die Schwierigkeiten bei diesem Prozess liegen in: 1) Herausforderungen bei den Materialeigenschaften-Kupfer und Aluminium haben ein hohes Reflexionsvermögen für häufig verwendete Infrarotlaser und eine hohe Wärmeleitfähigkeit, was das Schweißen erschwert; 2) Verbinden unterschiedlicher Materialien, wie z. B. die Verbindung zwischen Kupferschienen und Aluminiumklemmen, die zur Bildung spröder intermetallischer Verbindungen (IMCs) neigt, die die langfristige Zuverlässigkeit der Verbindung beeinträchtigen. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, hat die Industrie fortschrittliche Prozesse wie das oszillierende Laserschweißen, Hybridschweißen (z. B. Laser-Lichtbogenschweißen) und die Verwendung von Lasern mit neuen Wellenlängen wie grünen oder blauen Lasern entwickelt. Diese Technologien unterdrücken effektiv Defekte wie Spritzer und Porosität und kontrollieren die Dicke der IMC-Schicht durch die Ausdehnung des Schmelzbades, die Verbesserung des Rührens und die Erhöhung der Energieabsorption, wodurch elektrische Verbindungen hergestellt werden. Im Hinblick auf strukturelle Verbindungen spielt auch das Laserschweißen eine wichtige Rolle. Es kann beispielsweise für Strukturbauteile wie Modulseitenplatten und Endplatten zur Befestigung von Zellen sowie für die Verbindung von Gehäuse und Deckel des Batteriepacks verwendet werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Schraub- oder Nietverbindungen kann durch das Laserschweißen ein höherer Integrationsgrad und eine höhere Strukturfestigkeit erreicht werden, was dazu beiträgt, die Widerstandsfähigkeit des Batteriepakets gegenüber Vibrationen und Stößen zu verbessern. Darüber hinaus werden winzige Schweißnähte in den Erfassungskreisen von Spannungs- und Temperatursensoren in Batteriemanagementsystemen zunehmend durch Laserschweißen hergestellt, um eine langfristige Stabilität und Zuverlässigkeit der Signalerfassung zu gewährleisten.
04 ZusammenfassungDie Laserschweißtechnologie mit ihrer hohen Präzision, Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit wurde in jeden Schritt der Herstellung von Leistungsbatterien integriert. Vom Schweißen von Zelllaschen im Mikromaßstab bis hin zu strukturellen Verbindungen von Batteriepacks im Makromaßstab, von der luftdichten Verpackung, die die Zellsicherheit gewährleistet, bis hin zu elektrischen Verbindungen mit niedrigem Widerstand, die die Batterieleistung bestimmen, spielt das Laserschweißen eine unersetzliche Kernrolle. Es löst nicht nur effektiv die Herausforderungen bei der Verarbeitung schwer zu schweißender Materialien wie Kupfer und Aluminium und erfüllt die Effizienz- und Konsistenzanforderungen einer automatisierten Produktion im großen Maßstab, sondern maximiert auch den Schutz der elektrochemischen Leistung der Batterie durch präzise Steuerung der Schweißwärme. Die Reifung und Weiterentwicklung der Laserschweißtechnologie ist zu einem wichtigen technologischen Motor geworden, der eine Steigerung der Energiedichte von Leistungsbatterien, eine Senkung der Herstellungskosten und eine Verbesserung der Sicherheitsleistung vorantreibt und eine solide Fertigungsgrundlage für die schnelle Entwicklung der globalen Fahrzeugindustrie mit neuer Energie bietet.
