Saldatrice per batterie nella produzione di batterie al litio: attrezzature, processi e applicazioni

Di Neil Zhao

Nella produzione di batterie, una giunzione di saldatura di pochi millimetri di diametro può determinare se una cella fornirà energia in modo costante per un decennio o svilupperà una deriva della resistenza interna entro pochi mesi. È una delle più piccole caratteristiche fisiche su una linea di produzione e una delle maggiori fonti di rischio per la qualità a lungo termine. La saldatura delle batterie si estende in più punti all'interno di una cella: connessioni tra linguetta e collettore, giunzioni dei terminali, punti di sigillatura dell'involucro. Ogni punto presenta diverse combinazioni di materiali, vincoli geometrici e conseguenze di guasto. Comprendere le tecnologie di saldatura disponibili, la loro sensibilità ai parametri e i loro metodi di verifica della qualità è fondamentale per l'affidabilità delle batterie. Fornitori di apparecchiature comeTOB NUOVA ENERGIA, che forniscono sistemi di saldatura a ultrasuoni e laser come parte di soluzioni di produzione integrate, si imbattono in queste domande in ogni fase del rapporto con il cliente, dai laboratori di ricerca e sviluppo alle fabbriche da gigawattora.

Aspetto 1: Dove si verifica la saldatura in una cella di batteria

All'interno di una cella agli ioni di litio esistono quattro punti di saldatura distinti, ognuno con requisiti e modalità di guasto differenti.

La saldatura appare in una cella della batteria

La saldatura tra la linguetta positiva e il collettore di corrente unisce la linguetta positiva (in alluminio) al collettore di corrente in alluminio e la linguetta negativa (in nichel o rame nichelato) al collettore di corrente in rame. Questa giunzione deve avere una resistenza di contatto estremamente bassa: qualsiasi resistenza eccessiva si traduce in riscaldamento localizzato durante la carica e la scarica. Deve inoltre possedere una resistenza meccanica sufficiente a resistere alle successive manipolazioni. Infine, la saldatura deve essere eseguita senza danneggiare il rivestimento del materiale attivo adiacente alla zona di saldatura.

Saldatura automatica dei terminali della batteria (terminale-collettore di corrente)

La saldatura tra linguette e terminali collega le linguette degli elettrodi ai terminali esterni della cella, ovvero all'interfaccia elettrica tra i componenti interni e l'ambiente esterno. Diversi strati di lamina, in genere da 10 a 40 strati di rame o alluminio, devono essere uniti in un'unica operazione di saldatura. Una saldatura a freddo tra gli strati, in cui le lamine interne non sono completamente saldate, produce una cella che supera i test elettrici iniziali, ma che sviluppa una resistenza crescente durante i cicli di carica e scarica a causa della separazione degli strati non saldati.

Saldatura delle linguette della batteria (saldatura linguetta-terminale)

Nelle celle prismatiche, le saldature di tenuta uniscono la piastra di copertura al contenitore in alluminio, mentre nelle celle cilindriche il coperchio è fissato al contenitore in acciaio. L'integrità della tenuta determina direttamente la durata della cella. Una microperdita, ovvero un poro di saldatura invisibile a un'ispezione visiva, permette all'umidità di penetrare nella cella nel corso di mesi di funzionamento. L'umidità reagisce con il LiPF₆ formando HF, che degrada il catodo, dissolve i metalli di transizione e destabilizza lo strato SEI. La cella supera il controllo qualità in fabbrica, ma si guasta dopo sei-dodici mesi sul campo.

Cella prismaticaCsigillatura ase(saldatura laser)

La saldatura delle barre collettrici a livello di modulo e di pacco celle collega più celle in serie e in parallelo tramite barre collettrici in alluminio o rame. A livello di pacco celle, il numero di saldature giornaliere raggiunge le decine di migliaia. Una singola saldatura inaffidabile diventa un collo di bottiglia nella produzione. Una singola saldatura fredda non rilevata si trasforma in un guasto sul campo.

Aspetto 2: Tre tecnologie di saldatura

Nella produzione di batterie, tre tecnologie di saldatura dominano il settore. Ognuna occupa una posizione diversa nel triangolo precisione-velocità-costo.

La saldatura a ultrasuoni unisce i metalli allo stato solido.TOB NEW ENERGY fornisceapparecchiature per saldatura a ultrasuoni Per applicazioni su linguette di batterie, dove la giunzione di lamine multistrato è il requisito standard. Un sonotrodo premuto contro il pezzo in lavorazione vibra a una frequenza compresa tra 20 e 40 kilohertz. L'attrito all'interfaccia genera calore e deformazione plastica, creando un legame metallurgico senza fondere nessuno dei due pezzi. Nessun materiale d'apporto. Nessun gas di protezione. Nessuna pozza di fusione che possa schizzare sui componenti adiacenti.

Ultrasonicosaldatrice per linguette di batterie

Il principale vantaggio della saldatura a ultrasuoni nella produzione di batterie risiede nella sua capacità di unire metalli diversi – alluminio e rame, alluminio e nichel – e di saldare simultaneamente più strati di lamina. La vibrazione del sonotrodo si trasmette attraverso l'intero pacco batterie, creando legami tra ogni strato. Questo rende la saldatura a ultrasuoni la scelta predominante per le giunzioni tra linguetta e collettore di corrente, dove da 10 a 40 strati di lamina devono essere uniti in un'unica operazione.

La principale limitazione è la sensibilità alle condizioni della superficie, una variabile che il team di applicazioni di saldatura di TOB gestisce attraverso protocolli di preparazione della superficie prima della saldatura e il monitoraggio in tempo reale dello spostamento del sonotrodo. Gli strati di ossido sulle superfici di alluminio e rame assorbono l'energia ultrasonica senza formare legami. La contaminazione, come olio, polvere o residui di elettrolita, degrada la resistenza del legame in modo imprevedibile. Una superficie che si salda perfettamente al mattino potrebbe non funzionare nel pomeriggio, poiché l'umidità ambientale modifica la velocità di crescita dell'ossido.

La saldatura laser utilizza un raggio focalizzato, tipicamente un laser a fibra o a diodo a circa 1064 nanometri, per creare un bagno di fusione che si solidifica formando una saldatura. È un processo senza contatto, ad alta densità energetica e con una penetrazione profonda, riducendo al minimo l'apporto di calore al di fuori della zona di saldatura. Il raggio può essere trasmesso tramite fibra ottica anche in spazi ristretti irraggiungibili per le teste di saldatura meccaniche.

La saldatura laser è la tecnica predominante nelle applicazioni di sigillatura degli involucri.TOB NEW ENERGY'ssistemi di saldatura laser Questa tecnologia svolge proprio questa funzione: saldatura continua ad alta velocità per la sigillatura di involucri di celle prismatiche e cilindriche. L'elevata velocità di saldatura, pari a metri al minuto di saldatura continua, soddisfa i requisiti di produttività della produzione di celle su scala industriale. La ristretta zona termicamente alterata riduce al minimo i danni termici all'assemblaggio degli elettrodi a pochi millimetri dalla saldatura. Tuttavia, la saldatura laser dell'alluminio presenta una sfida specifica: l'elevata riflettività dell'alluminio a 1064 nanometri rende l'accoppiamento laser iniziale inefficiente. Una volta formatosi il bagno di fusione, l'assorbimento aumenta. La transizione dalla riflessione all'assorbimento deve essere gestita mediante una rampa di potenza all'inizio della saldatura.

Saldatrice laser a celle prismatiche

La saldatura a resistenza fa passare corrente attraverso i pezzi da lavorare. Il riscaldamento Joule all'interfaccia di contatto crea un nucleo fuso che si solidifica sotto pressione. Bassi costi delle apparecchiature. Tecnologia consolidata. Funzionamento semplice. La saldatura a resistenza è ancora utilizzata nelle celle dell'elettronica di consumo, dove i costi sono un fattore determinante e le linguette di nichel vengono saldate a contenitori di acciaio. Nel settore automobilistico e nelle celle di accumulo di energia di fascia alta, è stata in gran parte sostituita dai metodi a ultrasuoni e laser a causa del maggiore apporto di calore, della minore uniformità della qualità della saldatura dovuta all'usura degli elettrodi e della limitata capacità di saldatura di metalli diversi.

Aspetto 3: I parametri che determinano la qualità della saldatura

Nella saldatura a ultrasuoni, tre parametri interagiscono tra loro, e l'interazione non è lineare. I sistemi di saldatura a ultrasuoni di TOB controllano questi parametri in modo indipendente, consentendo agli ingegneri di processo di mappare l'intera finestra di processo anziché accontentarsi di un singolo punto operativo. Un'ampiezza elevata con bassa pressione e tempo breve può fornire lo stesso apporto energetico di una bassa ampiezza con alta pressione e tempo lungo, ma la qualità della saldatura risultante, in particolare la resistenza del legame tra gli strati e l'assottigliamento della lamina, sarà completamente diversa. Questa interazione è il motivo per cui lo sviluppo del processo di saldatura a ultrasuoni richiede metodi statistici di progettazione degli esperimenti, non la regolazione di un singolo fattore. Modificare un parametro. Riottimizzare gli altri. Ripetere.

Nella saldatura laser per la sigillatura di contenitori, la finestra di processo è ristretta e individuarla richiede più di una semplice scheda tecnica. I sistemi di saldatura laser di TOB NEW ENERGY vengono forniti con mappe dei parametri di processo sviluppate nel laboratorio di saldatura interno all'azienda, non in base alle raccomandazioni generiche del produttore della sorgente laser. La potenza del laser e la velocità di saldatura determinano insieme l'apporto termico per unità di lunghezza. Una velocità troppo elevata provoca penetrazione incompleta, saldatura discontinua e possibili perdite. Una velocità troppo bassa causa eccessivo apporto termico, deformazione del contenitore e danni termici ai componenti interni a pochi millimetri dalla saldatura. La differenza tra una velocità troppo elevata e una troppo bassa può essere del 10-15% rispetto al parametro nominale. La posizione del fuoco rispetto alla superficie del pezzo sposta la sezione trasversale della saldatura da superficiale e ampia a profonda e stretta. Uno spostamento del fuoco di 0,2 millimetri su una parete del contenitore di 0,5 millimetri può fare la differenza tra una penetrazione completa e una saldatura superficiale che supera l'ispezione visiva ma non ha integrità strutturale.

Le conseguenze della deviazione dai parametri non sono trascurabili. Una saldatura a ultrasuoni a freddo tra linguetta e collettore produce una cella la cui resistenza interna è superiore del 20% rispetto alle specifiche: la cella supera il test di capacità, entra in un pacco batteria e inizia a generare calore sproporzionato durante ogni ciclo di carica. Una saldatura laser di sigillatura dell'involucro con penetrazione intermittente produce una cella che supera il test di tenuta all'elio in fabbrica, perché il tasso di perdita è inferiore alla soglia di prova, ma crea un percorso di ingresso dell'umidità che degrada la cella nel corso di mesi di funzionamento sul campo. La qualità della saldatura non viene verificata durante l'ispezione finale. Viene determinata nel momento stesso in cui viene eseguita la giunzione.

Aspetto 4: Verifica della qualità

Le prove distruttive consentono la qualificazione dei processi e la verifica periodica.Misure di test di peelingLa forza necessaria per separare gli strati saldati è il test meccanico standard del settore per le saldature a ultrasuoni. La prova di trazione sottopone il giunto a rottura e ne registra la modalità: la frattura attraverso il materiale di base è accettabile; la frattura attraverso la saldatura non lo è. La metallografia in sezione trasversale rivela la struttura interna (profondità di penetrazione, porosità, cricche, adesione interfacciale), che l'ispezione esterna non può rilevare.

I controlli non distruttivi consentono lo screening della linea di produzione. L'ispezione visiva individua i difetti superficiali, come sottosquadri, schizzi e giunzioni incomplete, grazie a un sistema di visione artificiale automatizzato, alla velocità della linea.test di perdita di elio Verifica l'integrità della tenuta della custodia: un tasso di perdita inferiore a 1 × 10⁻⁸ Pa·m³/s è il requisito standard del settore automobilistico. La misurazione della resistenza controlla la qualità elettrica della saldatura della linguetta.

Il livello più elevato di garanzia della qualità è il monitoraggio in corso di processo, ovvero l'individuazione delle anomalie di saldatura nel momento in cui si verificano, non a posteriori. I sistemi di saldatura a ultrasuoni monitorano la firma di spostamento del sonotrodo durante ogni ciclo di saldatura. Una deviazione dalla normale curva di spostamento – il sonotrodo si abbassa troppo velocemente o troppo lentamente rispetto all'energia immessa – indica una variazione delle condizioni superficiali o una variazione nella pila di lamine che produrrà una giunzione fuori specifica. I sistemi di saldatura laser monitorano la luce riflessa o l'emissione ottica del bagno di fusione. Un picco nel segnale indica spruzzi. Un calo indica un'interruzione nella giunzione. Il sistema segnala la giunzione prima che la cella si sposti alla stazione successiva.

Aspetto 5: Selezione delle apparecchiature e valutazione dei fornitori

La scelta di una saldatrice a batteria inizia con tre domande.

"Questa apparecchiatura è stata testata con la mia combinazione di materiali e spessore?" La stessa saldatrice a ultrasuoni che unisce perfettamente 20 strati di lamina di rame da 12 micron potrebbe produrre giunzioni non uniformi con 30 strati di lamina da 9 micron. La stessa saldatrice laser che sigilla pareti di lattine di alluminio da 0,5 millimetri a 3 metri al minuto potrebbe richiedere parametri completamente diversi per pareti da 0,3 millimetri. TOB NEW ENERGY fornisce campioni di saldatura e dati di processo derivanti da prove sui materiali specifici del cliente prima della specifica dell'apparecchiatura: quel tipo di ingegneria pre-vendita che distingue un produttore di apparecchiature di saldatura da un venditore da catalogo. Chi fornisce solo la scheda tecnica dell'apparecchiatura non lo fa.

"Qual è la finestra di processo e cosa succede quando il materiale in ingresso varia?" I materiali di produzione non sono identici ai campioni di qualifica. Lo spessore della lamina di rame varia entro la sua banda di tolleranza. Le dimensioni delle lattine di alluminio cambiano leggermente tra i lotti di produzione. L'attrezzatura di saldatura deve essere in grado di gestire questa variazione senza produrre giunzioni fuori specifica. Un fornitore in grado di quantificare la finestra di processo, ovvero l'intervallo di condizioni del materiale in cui la qualità della saldatura rimane entro le specifiche, fornisce dati tecnici. Un fornitore che non ne è in grado chiede al cliente di scoprire la finestra di processo direttamente in officina.

"Quali sono i requisiti di manutenzione a lungo termine?" I sonotrodi a ultrasuoni si usurano. Le ottiche laser richiedono pulizia e ricalibrazione. Gli elettrodi per la saldatura a resistenza si deformano. La disponibilità dei pezzi di ricambio del fornitore, il servizio di ricondizionamento dei sonotrodi e il programma di manutenzione preventiva determinano l'OEE (Overall Equipment Effectiveness) dell'apparecchiatura durante il suo ciclo di vita. Una saldatrice a batteria il cui produttore non è in grado di fornire sonotrodi di ricambio entro una settimana rappresenta un rischio per la produzione. L'infrastruttura di assistenza post-vendita di TOB NEW ENERGY include il ricondizionamento dei sonotrodi e la disponibilità di pezzi di ricambio proprio per prevenire questo scenario di fermo macchina.

Il portafoglio di apparecchiature di saldatura di TOB NEW ENERGY è supportato da due brevetti relativi alla sigillatura: un dispositivo di sigillatura per la produzione di batterie (CN202122096808) che garantisce l'affidabilità della sigillatura dal tappo al contenitore, e una macchina sigillatrice con dispositivi di fissaggio intercambiabili (CN202122023872) che consente un rapido cambio di formato, ovvero quel tipo di ingegneria della flessibilità produttiva che determina se una stazione di saldatura supporta un singolo formato di cella o un'intera famiglia di prodotti.

Aspetto 6: La qualità della saldatura non viene ispezionata in un giunto

Il test di tenuta all'elio più rigoroso rileva le perdite già esistenti. Non è in grado di chiudere un percorso di perdita creato da una saldatura laser instabile. Il monitoraggio dello spostamento tramite sonotrodo più sofisticato rileva una saldatura difettosa dopo che è stata eseguita, consentendo di mettere in quarantena la cella, non di ripararla.

La qualità di una giunzione saldata è determinata dalla stabilità del processo di saldatura: la costanza dell'erogazione di energia, il controllo dell'interfaccia tra i materiali, il mantenimento della precisione delle apparecchiature. Queste non sono variabili di ispezione, bensì variabili di processo. Un fornitore come TOB NEW ENERGY, la cui tecnologia di saldatura è supportata da uno sviluppo interno dei processi e da brevetti pubblicamente verificabili, rappresenta la concretizzazione fisica di un processo. Il fornitore che comprende questa distinzione offre molto più di un semplice componente hardware.

Riepilogo sulla saldatrice per batterie: La saldatura nella produzione di batterie agli ioni di litio si estende su quattro punti critici: la giunzione tra linguetta e collettore, tra linguetta e terminale, la sigillatura dell'involucro e le connessioni con la barra collettiva, ognuna con combinazioni di materiali e conseguenze di guasto distinte. Tre tecnologie sono predominanti: la saldatura a ultrasuoni per la giunzione di metalli dissimili multistrato, la saldatura laser per la sigillatura ad alta velocità dell'involucro e la saldatura a resistenza per le celle destinate al mercato consumer, caratterizzate da un basso costo. Il controllo dei parametri di processo determina la qualità della saldatura alla fonte: interazioni tra ampiezza, pressione e tempo degli ultrasuoni, compromessi tra potenza, velocità e messa a fuoco del laser e le ristrette finestre di processo tipiche della saldatura di involucri di batterie a parete sottile. La verifica della qualità comprende metodi distruttivi per la qualificazione del processo, metodi non distruttivi per lo screening della produzione e monitoraggio in tempo reale per la prevenzione dei difetti. Il sistema di controllo qualità della saldatura più efficace integra tutti e tre i metodi, perché la qualità della saldatura non viene rilevata durante l'ispezione, ma viene determinata nel momento stesso in cui viene eseguita la giunzione.

Neil Zhao — Direttore tecnico, Xiamen TOB New Energy Technology Co., Ltd.