Stato attuale e prospettive di sviluppo della tecnologia di saldatura laser per batterie di potenza

Sullo sfondo del rapido sviluppo del settore dei veicoli a nuova energia, le batterie, in quanto unità energetica centrale dell’intero sistema del veicolo, determinano direttamente il livello di prestazione complessivo del veicolo attraverso la loro sicurezza, affidabilità e coerenza. Dalle singole celle ai moduli e poi all'intero pacco batteria, la qualità della saldatura è uno dei fattori chiave che influiscono sulla durata della batteria, sulle prestazioni di sicurezza e sulla resa nella produzione su-scala. Tra i vari metodi di saldatura, la saldatura laser, grazie alla sua elevata densità di energia, alta precisione e capacità di automazione, è diventata un processo chiave indispensabile nella produzione di batterie di potenza.

 

 

Per soddisfare le esigenze di sviluppo di leggerezza e alta-densità energetica nei veicoli a nuova energia, i materiali in lega di alluminio vengono comunemente utilizzati per i componenti strutturali delle batterie di alimentazione. Componenti come involucri di celle, coperture e sbarre collettrici utilizzano in genere leghe di alluminio della serie 1-o serie 3, che possiedono buona conduttività, resistenza alla corrosione e formabilità. In alcune aree che richiedono un'elevata conduttività, vengono utilizzati materiali compositi in rame o alluminio-rame.

 

Tuttavia, le leghe di alluminio stesse hanno un'elevata reattività chimica, un'elevata conduttività termica e un elevato coefficiente di espansione lineare e la loro superficie forma facilmente una densa pellicola di ossido, rendendole altamente suscettibili a difetti quali porosità, spruzzi, scoppi e cricche calde durante la saldatura. Inoltre, nella giunzione di materiali dissimili tra alluminio-rame, possono formarsi fragili composti intermetallici, riducendo la resistenza del giunto. Queste proprietà del materiale pongono requisiti estremamente elevati in termini di controllo energetico, stabilità della formatura e coerenza del processo di saldatura.

 

 

La produzione delle batterie di alimentazione prevede in genere tre fasi principali: cella, modulo e pacco. L'involucro esterno del pacco batteria fornisce principalmente supporto strutturale e protezione, solitamente utilizzando profili in lega di alluminio più spessi, e la sua saldatura viene eseguita principalmente utilizzando saldatura ad arco o saldatura ad attrito.

 

Al contrario, i componenti interni di celle e moduli sono di piccole dimensioni, hanno strutture precise e richiedono spazi di saldatura stretti, rendendo difficile per i metodi di saldatura tradizionali bilanciare la qualità della saldatura e la velocità di produzione. La saldatura laser, con la sua elevata densità di potenza, buona accessibilità e caratteristiche di lavorazione senza-contatto, è diventata il processo preferito per involucri, coperchi, valvole antideflagranti-delle celle delle batterie, sbarre collettrici e altri componenti. È ampiamente utilizzato nelle strutture delle batterie prismatiche con involucro in alluminio-, come le piastre di copertura delle batterie di alimentazione, le piastre di copertura delle batterie agli ioni di litio- e le custodie in alluminio delle batterie al litio.

 

 

Gli involucri e i coperchi delle batterie vengono utilizzati principalmente per sigillare l'elettrolita e fornire un supporto strutturale stabile per gli elettrodi interni. La qualità della saldatura determina direttamente le prestazioni di tenuta e la resistenza alla pressione della batteria. I materiali comuni includono la lega di alluminio Al3003, con uno spessore tipicamente compreso tra 0,3 e 0,5 mm. Quest'area utilizza spesso processi di saldatura laser composita o laser ad anello.

 

Nella produzione effettiva, queste saldature sono soggette a difetti quali penetrazione incompleta, porosità, collasso e spruzzi. Controllando razionalmente l'apporto di calore, la velocità di saldatura e la distribuzione dell'energia laser, è possibile stabilizzare efficacemente la profondità di penetrazione e soddisfare i requisiti di resistenza alla pressione. Con i progressi tecnologici, la modulazione della forma d'onda dell'impulso e la saldatura laser continua ad alta-velocità sono gradualmente diventate soluzioni tradizionali, migliorando significativamente l'efficienza della produzione e migliorando al tempo stesso l'uniformità della saldatura.

 

Per migliorare ulteriormente la qualità interna della saldatura, nella saldatura dell'involucro della batteria sono state introdotte la saldatura a scansione galvanometrica e la tecnologia di oscillazione laser. L'agitazione dinamica del bagno di fusione accelera la fuga delle bolle e affina la struttura del grano, migliorando così le proprietà meccaniche e l'affidabilità di tenuta del giunto saldato. Questi processi sono ampiamente utilizzati nella produzione di componenti strutturali come gusci in alluminio a celle prismatiche e coperchi di batterie in alluminio.

 

 

Le valvole antideflagranti-sono componenti critici nei sistemi di sicurezza delle batterie di alimentazione. Quando la pressione interna della batteria aumenta in modo anomalo, la rottura controllata rilascia gas, prevenendo la fuga termica e l'esplosione. Le valvole antideflagranti-sono generalmente realizzate con fogli di alluminio puro, spessi solo 0,08–0,1 mm, e sono estremamente sensibili all'apporto di calore della saldatura.

 

Durante la saldatura laser, una densità di potenza eccessivamente elevata può facilmente portare al surriscaldamento e alla perforazione della valvola antideflagrante-, mentre la fuoriuscita violenta di gas dal bagno di fusione può causare difetti nei pori. Ottimizzando la progettazione della forma d'onda del laser, introducendo un valore di picco di breve-durata nella fase iniziale della saldatura per migliorare l'assorbimento del materiale e riducendo gradualmente la produzione di energia nelle fasi successive, è possibile evitare efficacemente la bruciatura-garantendo al tempo stesso l'integrità della saldatura.

 

Inoltre, il rafforzamento della pulizia pre-della saldatura per ridurre l'olio e l'umidità residui e il controllo degli spazi di assemblaggio attraverso una sequenza di saldatura ragionevole sono mezzi importanti per ridurre i difetti di porosità. Queste misure di ottimizzazione del processo sono state applicate con successo in strutture come il tappo superiore della batteria al litio e il coperchio superiore per le celle della batteria prismatiche.

 

 

Con la rapida espansione dei nuovi mercati dei veicoli energetici e dello stoccaggio dell'energia, la domanda di processi di saldatura ad alta-uniformità e alta-affidabilità per le batterie di potenza continua ad aumentare. La futura direzione di sviluppo della tecnologia di saldatura laser si concentra principalmente sui seguenti aspetti:

 

Innanzitutto, l'applicazione di sorgenti laser con densità di potenza più elevata e controllo energetico più preciso per soddisfare le esigenze di saldatura di strutture più sottili e complesse; in secondo luogo, monitoraggio online e controllo-a circuito chiuso del processo di saldatura per migliorare la stabilità della saldatura mediante rilevamento-in tempo reale dello stato del bagno di fusione; e in terzo luogo, l’ottimizzazione del processo per unire materiali diversi come alluminio e rame per soddisfare le esigenze di sviluppo di nuove strutture di batterie e componenti in materiali compositi come piastre bipolari bimetalliche in rame e alluminio.

 

Nel frattempo, con la continua adozione diffusa di strutture di batterie prismatiche nei veicoli a nuova energia, la standardizzazione e l'applicazione su larga-scala dei processi di saldatura laser per componenti quali custodie prismatiche delle batterie in lega di alluminio, alloggiamenti in alluminio delle batterie e gusci di alluminio ricaricabili diventeranno una direzione importante per l'evoluzione tecnologica nel settore.

 

 

La tecnologia di saldatura laser è stata profondamente integrata nell'intero processo di produzione delle batterie di alimentazione, fornendo un supporto cruciale per ottenere elevata sicurezza, elevata coerenza e produzione ad alta efficienza. Con la continua evoluzione dei sistemi di materiali, della progettazione strutturale e del ritmo di produzione, la saldatura laser continuerà a svolgere un ruolo fondamentale nel campo deibatterie di alimentazione con involucro di alluminio-e dimostrerà prospettive di applicazione più ampie nel futuro della nuova industria energetica.