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武汉光博会解密系列之---激光焊接在动力电池行业的应用




动力电池即为工具提供动力来源的电源,动力电池作为主要电源蓄电池广泛应用于工业、生活等方方面面。近期,随着新能源汽车产销火爆,中国已然成为全球最大的市场,一时之间,关于动力电池上下游产业链的发展广受媒体关注。

动力电池是新能源汽车的核心零部件,直接决定整车性能,2020年动力锂电池的总需求量将达37GWh,是2014年的十倍以上,动力电池扩产将直接拉动设备需求。而作为链接上游原料和下游产品的中游设备,激光焊接工艺开始进入人们视野,但其工艺应用的神秘性,至今还蒙上一层神秘面纱。

激光光学作为武汉光博会重要组成板块,武汉光博会时刻关注着激光行业的动态。今日笔者摸着行业发展的脉搏点准六大穴位,借机拨开面纱,揭秘激光焊接在动力电池行业的应用。

 

穴位1:全融合1.png

对于动力电池生产企业简而言之,激光焊接是一个将正负极材料、隔膜和电解液等原材料化零为整的融合制造过程,是整个动力电池生产流程中的关键工艺。将所有原材料焊接成电池电芯、PACK模组,可直接用于传统消费电子、电子工具、电动自行车、储能电站及新能源汽车领域。

 

另一方面,激光焊接在动力电池中的地位也可以从焊接设备的成本价值上体现出来。以电池原料为对比,原料在成本中占比是持续性的且以吨为单位购入;激光焊接设备基本是一次性到位,不同工艺或类型的焊接设备价值数额在数十万位至数百万位人民币,在电池厂投入中占比5-15%,在电池组pack厂投入占比10-40%不等。

 

穴位2:全对比

电池制造过程涉及的焊接技术十分广泛,如超声波焊、电阻焊和激光焊接等。焊接方法与工艺的合理选用,直接影响电池的生产成本、质量的可靠性与使用的安全性。激光焊接作为电池生产一项非常重要的工艺环节,对电池的一致性,稳定性和安全性有很大的影响,动力电池激光焊接部位多,工艺难度大,对焊接工艺要求更高。通过高效精密的激光焊接可以大大提高汽车动力电池安全性、可靠性和使用寿命,必将为今后的汽车动力技术的发展提供重要保障。

 

焊接方式

激光焊接

钎焊

铜焊

氩弧焊

电子束焊

超声焊

项目对比分析

工件要求

整洁

整洁平整

清洁度要求高

整洁

真空状态下

表面平整

焊接速度

非常快

热影响区域

很小

大易变型

大易变型

大易变型

对人体伤害

有害气体

高危险

有害气体

有害X射线

有害高频射线

对操作要求

焊接外观

美观

不精细

一致性差

不精细

一致性差

不精细

一致性差

平整光滑

平整

 

对比发现,激光焊接优势在于焊材损耗小、被焊接工件变形小、设备性能稳定易操作,焊接质量及自动化程度高。其工艺上的优势是其它焊接方式无法比拟的。

 


穴位3:全工艺

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动力电池的电芯按其外型可分方形、圆柱、软包、18650等不同类型,在所有形状电池中,激光焊接工艺应用最全面的为圆柱电池焊接,在此以圆柱动力电池工艺流程为例,激光焊接的工序应用如下图所示:

 

经历上述激光焊接工序后,继续一步将单体电芯多个组装,就形成应用于电动自行车、电动汽车上的PACK电池组,如国际领跑的特斯拉就应用了7000多块松下NCR 18650 3100mah电池合成的PACK电池组,以此来满足高续航能力。

 

穴位4:更高效

市场上应用于动力电池的激光设备从外观上看虽是“乱花渐欲迷人眼”,但最终达成的殊途同归的作用。以工艺的复杂程度和设备占用空间上区分,激光焊接设备基本可以分为三种类型:中试设备、全自动工作站和全自动流水线。

中试设备,基本为单机半自动操作台,应用于初期中试产品的测试和小批量生产。

 

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全自动工作站,多为双剑合璧的模式,激光主机加半封闭或全封闭式工作台,每工位工作台上一般配备多工位夹具工装,适用于动力电池激光焊接和电池组PACK焊接的各种工艺的单工序段全自动系统。

全自动生产线,全自动工作站的升级版,将多个工作站相连接,形成电芯焊接或电池组PACK焊接的完整智能自动化产线。

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国内自主研发首条圆柱动力电池智能自动化产线

 

穴位5:更安全

近年来,随着电动汽车的快速发展,如何解决电动汽车的安全问题,是新能源汽车行业的良性发展必须突破的关键点和难点。由于人们对新事物的认知有个过程,初期难免抱有怀疑和不信任的态度,所以任何一次有关电动汽车的安全事故,都会导致公众对电动汽车安全性的疑虑进一步加深,阻碍电动汽车的发展和普及。

图片5.png 

圆柱动力电池防爆阀激光焊接

 

动力电池的安全问题广受争议,电池本身应不鼓包、不泄漏、不破裂、不起火、不冒烟、不爆炸。而电芯一旦发生热失控,可能会产生电解液泄漏、起火和燃烧等现象。电池防爆安全阀在锂电池中使用可有效地防止电池热失控时发生爆炸,从而保障了电池安全。

 

穴位6:看未来

近年来,很多国内外动力电池生产厂商,在较为复杂的生产工序中,对于不同的工序、不同的被焊接部件,采用不同焊接方法,随着新能源汽车行业迈向纵深发展,对配套电池的装配与焊接精度、质量都提出了更高的要求,大规模的采用激光焊接工艺势在必行。

未来,以三星、LG为代表的外资企业来世凶猛,以提供能量密度高、工艺精湛、高性价比的产品,将打破国内动力电池市场的格局。国内动力电池制造企业只有提升整体制造工艺水平才能参与国内国际竞争。

 









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