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超聲波金屬焊接層疊式鋰電池金屬極片

2021-11-23 19:10
隨著資源與環(huán)境雙重壓力的持續(xù)增大，發(fā)展新能源汽車已成為未來汽車工業(yè)發(fā)展的方向之一。新能源汽車在不使用汽油和柴油的情況下，采用鋰離子動(dòng)力電池已成為首選動(dòng)力源。到2014年，車用鋰離子電池市場的規(guī)模將越升至240億美元。目前美國能源部以及美國通用、美國福特、德國奔馳等歐美各大汽車制造商都致力于開發(fā)采用鋰離子動(dòng)力電池的電動(dòng)汽車。我國在鋰離子動(dòng)力電池研發(fā)上也投入了大量財(cái)力物力，國家863計(jì)劃專門設(shè)立電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)，用以資助動(dòng)力鋰離子電池關(guān)鍵材料及其制造工藝的研發(fā)和應(yīng)用。因此，開展鋰電池相關(guān)技術(shù)研究已成為當(dāng)前關(guān)注的熱點(diǎn)問題。
 
鋰電池制造主要包括制漿、涂布、焊接、裝配、化成五個(gè)工序，其中焊接技術(shù)是鋰電池制造工藝中的關(guān)鍵一環(huán)。鋰電池制造過程中，極片與極片以及電池封裝都需要使用焊接工藝，任何焊接接頭缺陷都將影響鋰電池的容量及功率（圖1-1）。因此，如何保證極片的連接接頭質(zhì)量是目前鋰電池制造中需要解決的重點(diǎn)問題之一。
超聲波焊接層疊式鋰電池金屬極片
圖 1-1 鋰離子(a)電池單體、(b)電池模塊、(c)電池組
為了滿足鋰電池的容量及功率要求，多個(gè)鋰電池單體通過串聯(lián)、并聯(lián)構(gòu)成電池模塊，而多個(gè)電池模塊裝配在一起構(gòu)成電池組。鋰電池單體包括正極、負(fù)極、隔膜及包裝，正極集流體（10um左右鋁箔）涂覆有正極材料，負(fù)極集流體（10um左右銅箔）涂覆有負(fù)極材料，一個(gè)電池單體包含有20-60層正極集流體和負(fù)極集流體，電池單體制造過程中，需要將所有正極集流體與一個(gè)正極極耳（0.2mm鋁片）連接，將所有負(fù)極集流體與一個(gè)負(fù)極極耳（0.2mm銅片）連接。
 
電池模塊制造過程中，電池單體并聯(lián)時(shí)，需要將不同電池單體的正極極耳與正極極耳連接，也需要將負(fù)極極耳與負(fù)極極耳連接。在將不同電池單體串聯(lián)的過程中，需要將不同電池單體的正極極耳與負(fù)極極耳連接。最終，將電池模塊組裝成電池組的過程中，需要將極耳與母線連接。
 
焊接技術(shù)作為鋰電池制造工藝中的關(guān)鍵一環(huán)，任何極片連接接頭缺陷都可能造成鋰離子電池內(nèi)阻增大、容量減小、電壓降低，將影響鋰離子電池的一致性。因此，遴選鋁/銅等異質(zhì)多層超薄金屬極片的連接工藝方法并保證接頭質(zhì)量一直是鋰電池制造工藝需要亟待解決的關(guān)鍵問題。
 
超聲波金屬焊接是在焊接壓力作用下使被焊工件與工件界面之間產(chǎn)生高頻機(jī)械振動(dòng)，工件界面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生剪切力引起摩擦產(chǎn)熱及塑性變形，從而形成固相連接。工件溫度升高使工件材料屈服強(qiáng)度降低，有利于工件表面氧化膜破碎及發(fā)生塑性變形，對(duì)接頭形成有重要作用。
 
超聲波金屬焊接作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔的固相連接技術(shù)，適用于鋁/銅等高導(dǎo)電、導(dǎo)熱材料的連接，已得到國內(nèi)外汽車制造商和鋰電池制造企業(yè)的關(guān)注，是目前極片連接的主要工藝方法。