01
Tóm tắt
Khi ngành công nghiệp phương tiện sử dụng năng lượng mới trên toàn cầu trải qua quá trình chuyển đổi sâu sắc,-chuyển trọng tâm chính từ "lo lắng về phạm vi hoạt động" sang yêu cầu kép là "an toàn và sạc nhanh"-, công nghệ pin điện đang trải qua một bước nhảy vọt, phát triển từ pin ion-điện phân lithium-dạng truyền thống sang pin hình trụ-định dạng 4680 lớn và cuối cùng là tất cả các loại pin-trạng thái rắn{7}} (ASSB). Đóng vai trò là "đường khâu quang tử" kết nối các đơn vị điện hóa bên trong pin với cấu trúc vật lý bên ngoài, công nghệ hàn laser không còn chỉ đơn thuần là một công cụ xử lý phụ trợ; đúng hơn, nó đã nổi lên như một quy trình sản xuất cốt lõi quyết định hiệu suất pin, mật độ năng lượng tối đa và hiệu suất an toàn. Dựa trên nhiều-tài liệu nghiên cứu tiên tiến và sự phát triển của ngành được xuất bản vào năm 2025-như được nêu trong tài khoản WeChat chính thức *Ứng dụng và công nghệ xử lý chùm năng lượng-cao*-bài viết này cung cấp một-phân tích chuyên sâu về logic tiến hóa công nghệ của hàn laser trong kỷ nguyên biến đổi này. Phân tích này mở rộng phạm vi quang phổ, từ những tắc nghẽn quy trình vốn có của laser sợi quang hồng ngoại đến những đột phá đạt được với nguồn nhiệt lai xanh/hồng ngoại và từ việc sử dụng chùm tia Gaussian đơn lẻ đến khả năng tái tạo trường năng lượng được hỗ trợ bởi hệ thống quang học Chuyển đổi ánh sáng mặt phẳng đa{18}}đa mặt phẳng (MPLC) và Chế độ vòng điều chỉnh (ARM). Mục đích là cung cấp cho ngành một bức tranh toàn cảnh toàn diện về quá trình lặp lại công nghệ này, đồng thời hướng tới các kịch bản trong tương lai về sản xuất pin trạng thái rắn, trong đó công nghệ laser-thông qua khả năng điều khiển chính xác ở cấp độ vi mô- và nano-sẽ giải quyết những thách thức liên kết ghê gớm do các vật liệu cực đoan gây ra như cực dương kim loại lithium và các lớp điện phân rắn.
02
Văn bản chính
Trong bối cảnh sản xuất pin năng lượng mới cho xe ô tô, công nghệ hàn laze từ lâu đã thâm nhập vào mọi giai đoạn quan trọng-từ bịt kín van chống cháy nổ-và hàn tab điện cực đến nối đầu nối linh hoạt, hàn thanh cái và lắp ráp GÓI mô-đun pin-đóng vai trò là nền tảng vật lý đảm bảo hiệu suất điện hóa của pin đầu ra ổn định. Hiện tại, pin hình trụ lớn-được minh họa bằng mẫu 4680 của Tesla-đã giảm đáng kể điện trở trong và tăng cường-năng lượng phóng điện thông qua thiết kế cấu trúc "không có bàn". Tuy nhiên, sự đổi mới này đã đồng thời gây ra sự gia tăng theo cấp số nhân về số bước hàn và sự thay đổi về chất về độ phức tạp của chính quy trình hàn. Trong quá trình sản xuất pin hình lăng trụ hoặc hình trụ truyền thống, tia laser sợi quang hồng ngoại gần (IR) từ lâu đã giữ vị trí thống trị nhờ mật độ năng lượng cao và độ ổn định công nghiệp đã được chứng minh. Tuy nhiên, khi tỷ lệ vật liệu có độ phản chiếu cao-chẳng hạn như đồng và nhôm-trong cấu trúc pin tăng lên (đặc biệt là trong quá trình hàn các đĩa thu dòng điện không cần bàn trong pin 4680), các chùm tia Gaussian{15}chế độ đơn truyền thống đang gặp phải những hạn chế nghiêm trọng về mặt vật lý. Ở nhiệt độ phòng, tốc độ hấp thụ của đồng đối với laser hồng ngoại ở bước sóng 1064 nm là dưới 5%. Do đó, cần có năng lượng đầu vào ban đầu cực kỳ cao để tạo ra một bể nóng chảy; tuy nhiên, một khi vật liệu bắt đầu tan chảy, tốc độ hấp thụ của nó sẽ tăng vọt ngay lập tức. Năng lượng dư thừa này thường xuyên gây ra hiện tượng sôi dữ dội trong bể nóng chảy, dẫn đến hiện tượng bắn tung tóe và độ xốp đáng kể. Đối với pin điện-cần sự an toàn tối đa-bất kỳ hạt kim loại nào tạo ra do bắn tung tóe tìm đường vào bên trong tế bào pin đều hoạt động như một "quả bom hẹn giờ" tiềm năng gây ra hiện tượng đoản mạch. Như đã lưu ý trong tài liệu nghiên cứu-chẳng hạn như bài viết *Ứng dụng công nghệ hàn laze trong sản xuất pin điện*-hệ thống pin điện thường hoạt động trong môi trường khắc nghiệt có đặc điểm là rung động và nhiệt độ cao; do đó, độ tin cậy của hàng trăm hoặc hàng nghìn mối hàn trong hệ thống quyết định trực tiếp đến sự an toàn chung của xe. Do đó, trọng tâm của ngành đã chuyển từ mục tiêu đơn thuần là "đạt được liên kết an toàn" sang theo đuổi các quy trình hàn chính xác được đặc trưng bởi "không bắn tóe, đầu vào nhiệt thấp và tính nhất quán cao". Ở giai đoạn này, mặc dù tia laser hồng ngoại{29}}thông qua các kỹ thuật tối ưu hóa quy trình như hàn lắc lư-đã giảm thiểu các vấn đề về khuyết tật ở một mức độ nhất định, nhưng những hạn chế của một nguồn nhiệt duy nhất ngày càng trở nên rõ ràng khi đối mặt với các điểm hàn dày đặc dọc theo các cạnh của bộ thu dòng pin 4680 và bộ phân cách cách điện, vốn cực kỳ nhạy cảm với nhiệt đầu vào. Do đó, điều này đã buộc cộng đồng kỹ thuật phải tìm kiếm một thế hệ nguồn sáng và công nghệ định hình chùm tia mới có khả năng thay đổi căn bản cơ chế tương tác vật liệu ánh sáng.
Những tiến bộ trong công nghệ pin-đặc biệt là sự phát triển từ các chất điện phân ở trạng thái lỏng sang bán{1}}rắn và toàn bộ{2}}rắn{3}}cũng như sự chuyển đổi cấu trúc từ dạng quấn sang thiết kế hình trụ lớn và xếp chồng lên nhau-đã đặt ra những yêu cầu nghiêm ngặt về công nghệ hàn, đòi hỏi công nghệ hàn phải "mát hơn, chính xác hơn và mạnh mẽ hơn". Khi quá trình sản xuất hàng loạt pin 4680 tăng lên, kết nối giữa tấm thu dòng điện và các lá điện cực dương và âm đặt ra một thách thức ghê gớm: việc nối các vật liệu có độ dày rất khác nhau-cụ thể là các lá siêu mỏng (trên thang micron) với các bộ thu dòng dày hơn đáng kể (trên thang đo milimet). Hơn nữa, cấu trúc điện cực "không có bảng" (tab{10}}đầy đủ) yêu cầu chùm tia laze quét và hàn một số lượng lớn các điểm trong khoảng thời gian cực ngắn, đặt ra những yêu cầu chưa từng có đối với khả năng phản hồi động và kiểm soát phân phối năng lượng của hệ thống laze. Triệt để hơn nữa là quá trình chuyển đổi sang pin ở trạng thái rắn, sử dụng chất điện phân rắn dựa trên sunfua, oxit hoặc polyme, cùng với cực dương lithium kim loại có khả năng phản ứng cao. Những vật liệu mới này thể hiện độ nhạy với nhiệt đầu vào cao hơn nhiều so với các thiết bị phân tách truyền thống; do đó, plasma nhiệt độ cao và sự biến động dữ dội của bể tan chảy vốn có trong hàn xuyên sâu truyền thống (Hàn lỗ khóa) có thể dễ dàng làm tổn hại đến tính toàn vẹn của lớp điện phân rắn, dẫn đến hỏng pin. Do đó, quy trình hàn phải thực hiện quá trình chuyển đổi chính xác từ "chế độ thâm nhập sâu" sang "chế độ dẫn nhiệt ổn định" hoặc "chế độ thâm nhập sâu được kiểm soát". Trong bối cảnh đó, công nghệ định hình chùm tia đã nổi lên như một cải tiến quan trọng, đóng vai trò là cầu nối kết nối các thời đại của công nghệ pin truyền thống và thế hệ tiếp theo. Các ấn phẩm xuất bản trên tài khoản chính thức này-chẳng hạn như *Là chùm tia định hình tương lai của hàn laser?* và *Calabs của Pháp đạt được-Hàn đồng bằng laser tốc độ cao bằng công nghệ định hình chùm tia MPLC*-cung cấp các báo cáo chi tiết về sự thay đổi mang tính biến đổi này. Việc áp dụng công nghệ Chuyển đổi ánh sáng mặt phẳng đa-(MPLC) và Các phần tử quang học nhiễu xạ (DOE) đã giải phóng điểm laser khỏi những hạn chế của phân bố Gaussian tròn, cho phép nó được điều chế thành nhiều hình dạng khác nhau-bao gồm hình tròn, hình vuông hoặc thậm chí các cấu hình bất đối xứng cụ thể chẳng hạn như các cấu hình do Cailabs tiên phong. Sự phân phối lại năng lượng theo không gian này về cơ bản ngăn chặn sự phóng mạnh của hơi kim loại bên trong lỗ khóa, do đó duy trì trạng thái mở và ổn định của lỗ khóa; khi làm như vậy, về mặt vật lý, nó sẽ loại bỏ các nguyên nhân gốc rễ của sự hình thành vết rỗ và độ xốp. Ví dụ, nghiên cứu do Đại học Warwick tiến hành liên quan đến việc ứng dụng chùm tia laze hình khuyên để ghép các vật liệu Al{31}}Cu khác nhau đã chứng minh rằng bằng cách kiểm soát chính xác tỷ lệ công suất giữa chùm tia trung tâm và chùm tia hình khuyên (ví dụ: 40% lõi / 60% vòng), sự hình thành các hợp chất liên kim loại giòn (IMC) có thể giảm đáng kể. Phát hiện này có giá trị tham khảo quan trọng cho việc kết hợp các bộ thu dòng điện tổng hợp mới-một quy trình có thể liên quan đến việc sản xuất pin-ở trạng thái rắn.
Khi chúng tôi tập trung chú ý vào-pin thể rắn-được nhiều người coi là giải pháp năng lượng tối ưu-thì vai trò của hàn laser ngày càng trở nên phức tạp và quan trọng. Việc sản xuất pin ở trạng thái rắn-không chỉ dừng lại ở việc đóng gói cấu trúc kim loại đơn thuần; nó ngày càng liên quan đến việc xử lý bề mặt ở cấp độ vi mô- và nano{6}} cũng như liên kết bề mặt của vật liệu điện cực. Vào thời điểm này, việc đưa vào sử dụng các nguồn laser có bước sóng khác nhau nổi lên như là chìa khóa để khắc phục các nút thắt kỹ thuật. Sự gia tăng nhanh chóng của tia laser xanh (bước sóng khoảng 450 nm) thể hiện một trong những tiến bộ công nghệ quan trọng nhất trong những năm gần đây. Theo các nghiên cứu như *Hiệu quả của việc ngăn chặn chùm khói đối với hiệu suất hàn đồng nguyên chất khi sử dụng Laser Đi-ốt xanh 15 kW* (Đại học Osaka, Nhật Bản) và *Hàn dẫn tia laser xanh 3 kW của kẹp tóc bằng đồng* (Politecnico di Milano, Ý), đồng có tỷ lệ hấp thụ ánh sáng xanh trên 50%-một con số cao gấp 10 lần so với tốc độ hấp thụ của nó đối với ánh sáng hồng ngoại. Điều này ngụ ý rằng tia laser xanh có thể đạt được sự nóng chảy ổn định của vật liệu đồng ở mức năng lượng cực thấp, hoạt động chủ yếu ở chế độ hàn dẫn nhiệt giúp loại bỏ hầu như hiện tượng bắn tóe. Khả năng này được thiết kế hoàn hảo để kết nối các tab cực dương của pin thể rắn, loại pin rất nhạy cảm với sốc nhiệt. Tuy nhiên, tia laser xanh thường có chất lượng chùm tia tương đối kém, gây khó khăn cho việc đạt được các mối hàn có tỷ lệ chiều sâu-trên{20}}chiều rộng cao. Do đó, công nghệ chùm tia lai "Xanh + Hồng ngoại" (Hàn Laser lai) đã nổi lên như một giải pháp đồng thuận-trong ngành. Bằng cách sử dụng tia laser xanh lam để làm nóng trước nhằm tăng cường khả năng hấp thụ vật liệu và sau đó sử dụng tia laser hồng ngoại chất lượng-chùm{26}}để đạt được độ xuyên thấu sâu, phương pháp tổng hợp này đảm bảo độ sâu mối hàn phù hợp trong khi vẫn duy trì độ ổn định đặc biệt trong bể nóng chảy. Nghiên cứu sâu hơn do Đại học Erlangen{28}}Nuremberg thực hiện đã xác nhận rằng việc ứng dụng kết hợp các bước sóng khác nhau sẽ điều chỉnh hiệu quả động lực dòng chảy của bể nóng chảy{29}}một yếu tố có tầm quan trọng đặc biệt đối với việc hàn kim loại lithium hoặc bộ thu dòng điện được phủ, có khả năng sẽ xuất hiện trong các thiết kế pin ở trạng thái rắn trong tương lai. Hơn nữa, vai trò của laser xung cực ngắn (picosecond/femtosecond) trong hoạt động sản xuất pin ở trạng thái rắn-sẽ mở rộng đáng kể. Không còn chỉ giới hạn ở các ứng dụng cắt, những tia laser này ngày càng có nhiều khả năng được sử dụng để tạo kết cấu vi mô trên bề mặt của chất điện phân rắn-từ đó tăng cường tiếp xúc giữa các bề mặt-cũng như để-nối không phá hủy các lá kim loại lithium siêu mỏng, tận dụng các đặc tính "xử lý nguội" của chúng để ngăn ngừa hư hỏng do nhiệt.
Nhìn về phía trước, sự phát triển của hàn laser trong bối cảnh pin thể rắn-và cuộc cách mạng rộng lớn hơn trong công nghệ pin-thế hệ tiếp theo sẽ được đặc trưng bởi một xu hướng kép: "thông minh hóa" và "tối ưu hóa đến mức tối đa". Một mặt, khi cấu trúc pin ngày càng trở nên phức tạp, việc chỉ dựa vào-cài đặt tham số quy trình vòng lặp mở là không còn đủ để đáp ứng các yêu cầu về năng suất. Do đó,-hệ thống hàn thích ứng vòng kín-tích hợp-máy ảnh tốc độ cao, điốt quang, OCT (Chụp cắt lớp kết hợp quang học) và thuật toán AI-đã sẵn sàng trở thành thiết bị tiêu chuẩn. Như đã lưu ý trong bài viết *Xử lý vật liệu laser dựa trên AI*, bằng cách sử dụng thuật toán học máy để phân tích hình ảnh bể tan chảy và tín hiệu quang{11}}trong thời gian thực, các hệ thống này có thể dự đoán các lỗi tiềm ẩn trong vòng mili giây và tự động điều chỉnh công suất laser hoặc đường quét-một khả năng quan trọng để giảm chi phí và nâng cao hiệu quả trong các dây chuyền sản xuất pin ở trạng thái rắn{13}}trong đó chi phí vật liệu đặc biệt cao. Mặt khác, các chế độ điều khiển năng lượng laser được thiết lập để phát triển từ hoạt động Sóng liên tục (CW) đơn giản sang điều chế thời gian{15}không gian phức tạp hơn. Cấu hình chùm tia ở Chế độ vòng có thể điều chỉnh (ARM) sẽ trải qua các bước lặp tiếp theo để đạt được sự đồng bộ hóa thời gian ở cấp độ nano giây{17}}giữa chùm tia hình khuyên và chùm tia trung tâm; khi kết hợp với kỹ thuật hàn "lắc lư" được điều khiển bằng điện kế-sẽ thiết lập một khung điều khiển đa chiều-bao gồm hình dạng chùm tia, xung thời gian và dao động không gian. Ví dụ: khi hàn các bộ thu dòng siêu mỏng trong pin trạng thái rắn, chùm tia laser có thể cần phải sử dụng phân bổ cường độ "móng ngựa" hoặc "gấp đôi{23}}C"{24}}kết hợp với dao động tần số cực-cao{26}}{27}}để giảm thiểu sốc nhiệt cho lớp điện phân rắn bên dưới. Hơn nữa, trong bối cảnh cực dương kim loại lithium, tia laser có thể được sử dụng để làm sạch *tại-* tại chỗ* hoặc sửa đổi bề mặt hoặc thậm chí được sử dụng để sửa chữa chính xác các chất điện phân rắn thông qua công nghệ Laser-Induced Forward Transfer (LIFT).
Tóm lại, hành trình phát triển từ pin hình trụ-định dạng 4680 lớn sang pin trạng thái rắn-phản ánh sự biến đổi của chính công nghệ hàn laze-chuyển từ mô hình "xử lý năng lượng-rộng,-năng lượng cao" sang một trong những "điều khiển trung tâm, chính xác, nhẹ{6}}". Laser sợi hồng ngoại đã đặt nền móng cho quy mô sản xuất; cấu hình chùm tia hình khuyên và công nghệ Điều khiển Laser xung đa-(MPLC) đã giải quyết các điểm yếu trong quy trình quan trọng liên quan đến vật liệu có độ phản chiếu cao và kiểm soát bắn tung tóe; trong khi đó, sự ra đời của các nguồn sáng xanh dương, xanh lục và lai đã mở ra những cửa sổ vật lý mới cho việc kết nối các vật liệu cực chất. Trong tương lai, thông qua việc tích hợp sâu trí tuệ nhân tạo và công nghệ điều chế trường ánh sáng đa chiều, hàn laser sẽ không còn chỉ là một bước quy trình duy nhất trên dây chuyền sản xuất pin nữa; thay vào đó, nó sẽ phát triển thành một công nghệ cốt lõi cho phép xác định mức độ tự do trong thiết kế cấu trúc pin và vượt qua các giới hạn về mật độ năng lượng. Chúng tôi có mọi lý do để tin rằng, trong cuộc đối thoại sâu sắc giữa "ánh sáng" và "điện", công nghệ laser sẽ tiếp tục mở rộng ranh giới của quá trình chuyển đổi năng lượng toàn cầu hướng tới một tương lai an toàn hơn và hiệu quả hơn.
