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(jiǎn)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(chē)電動(dòng)化已經(jīng)越來(lái)越重要。一些城市開(kāi)始采取必要措施限制內(nèi)燃機(jī)在汽車(chē)上的應(yīng)用，在不久的將來(lái)，傳統(tǒng)汽車(chē)將逐漸被新能源汽車(chē)所替代，新能源汽車(chē)最有發(fā)展?jié)摿Φ氖请妱?dòng)汽車(chē)。電動(dòng)汽車(chē)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(guò)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(chē)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(chē)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(guò)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(guò)程中，電阻焊、超聲波焊和激光焊占據(jù)較大的市場(chǎng)。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(guò)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(guò)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(kāi)后，金屬凝固結(jié)晶，形成致密的焊點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外，新能源汽車(chē)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(chē)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(jiǎn)單、另一方面需要通過(guò)加密封膠的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電池組的密封，無(wú)異增加了生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本。

圖2 （a）特斯拉某車(chē)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(chǎng)。鐵磁性材料在交變磁場(chǎng)的作用下發(fā)生磁致伸縮，在長(zhǎng)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(guò)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(lèi)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(guò)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(guò)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(wú)法滿足動(dòng)力汽車(chē)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(zhǎng)。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(zhǎng)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(guò)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(lái)了很大挑戰(zhàn)。通過(guò)分析Al-Cu二元合金，可以觀察到在焊接過(guò)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(lái)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(guò)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(wú)定論。聚焦于基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)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