01 Giới thiệu
Trong bối cảnh ngành công nghiệp ô tô toàn cầu chuyển sang điện khí hóa, pin điện, nguồn năng lượng cốt lõi của phương tiện sử dụng năng lượng mới, sẽ quyết định khả năng cạnh tranh thị trường của xe điện thông qua hiệu suất, độ an toàn và chi phí của chúng. Sản xuất pin điện là một quá trình phức tạp liên quan đến kiến thức liên ngành bao gồm khoa học vật liệu, điện hóa và kỹ thuật chính xác. Công nghệ kết nối-chất lượng cao là mắt xích quan trọng xuyên suốt quá trình này. Các phương pháp nối truyền thống, chẳng hạn như hàn điện trở và hàn siêu âm, ngày càng bộc lộ những hạn chế-chẳng hạn như hiệu ứng nhiệt lớn, tính nhất quán kém và phạm vi tham số quy trình hẹp-khi phải đối mặt với-quy trình sản xuất pin điện tự động, quy mô lớn và xử lý các vật liệu có tính dẫn nhiệt cao như đồng và nhôm. Công nghệ hàn laze với mật độ năng lượng cao, nhiệt đầu vào có thể kiểm soát, tính chất không tiếp xúc và dễ tự động hóa, đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của việc sản xuất pin điện về độ chính xác, hiệu quả và độ tin cậy, đồng thời đã trở thành quy trình cốt lõi xuyên suốt toàn bộ quy trình làm việc từ sản xuất tế bào đến lắp ráp bộ pin. Bài viết này nhằm mục đích minh họa các ứng dụng cụ thể của công nghệ hàn laser ở các giai đoạn sản xuất pin điện khác nhau và tóm tắt vai trò quan trọng của nó trong việc thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp pin điện.
02 Ứng dụng trong Công đoạn Sản xuất Pin
Pin là bộ phận cơ bản của pin điện và độ chính xác trong sản xuất cũng như độ kín của pin là những đảm bảo thiết yếu cho sự an toàn và hiệu suất của pin. Hàn laser chủ yếu được sử dụng để kết nối chính xác và hàn kín cuối cùng các tế bào pin. Đầu tiên, đối với các kết nối điện bên trong pin, phương pháp hàn laser được sử dụng để hàn các tab. Sau khi quá trình cuộn hoặc xếp chồng hoàn tất, cần hàn chắc chắn các tab của điện cực dương (lá nhôm) và âm (lá đồng), có thể bao gồm hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm lớp, cùng với các bộ thu dòng và tạo thành một đường dẫn điện đáng tin cậy với các đầu cuối bên ngoài hoặc các mảnh kết nối, như trong Hình 1. Hàn laser có thể kết hợp ngay lập tức các vật liệu mỏng này với thời lượng xung cực ngắn, tạo thành các điểm hàn có điện trở thấp và độ bền cao. Ưu điểm của nó nằm ở vùng chịu ảnh hưởng nhiệt-nhỏ nhất, tránh hiệu quả tổn hại do nhiệt đối với các dải phân cách và vật liệu hoạt động lân cận, nhờ đó duy trì hiệu suất điện hóa của pin.
Thứ hai, trong giai đoạn đóng gói cuối cùng của pin, hàn laser là một trong những phương pháp hiệu quả để đạt được độ kín khí. Đồng thời, hàn laser được sử dụng để kết nối nắp trên và vỏ ở cả pin vỏ nhôm vuông và pin vỏ thép hình trụ. Bằng cách kiểm soát chính xác công suất, tốc độ và vị trí tiêu cự của tia laser, có thể hình thành đường hàn liên tục, mịn và dày đặc trên vỏ, ngăn chặn hiệu quả sự rò rỉ chất điện phân và sự xâm nhập của hơi ẩm bên ngoài, đảm bảo tính ổn định hóa học của pin trong suốt vòng đời của nó. Đối với các tế bào túi, hàn laze được sử dụng trong quá trình bịt kín trên và bịt bên, hàn các mấu nhô ra với các phần chuyển tiếp kết nối và bảo vệ (thường là đồng hoặc nhôm mạ niken). Bản chất không-tiếp xúc của nó đảm bảo hiệu quả đóng gói và không gây hư hại cho vật liệu đóng gói màng nhựa nhôm{6}}, như minh họa trong Hình 2.
03 Ứng dụng trong giai đoạn lắp ráp các mô-đun pin và bộ pin liên quan đến việc tích hợp các ô riêng lẻ vào các mô-đun và bộ pin, đòi hỏi một lượng lớn kết nối điện và buộc chặt cấu trúc. Đây là giai đoạn hàn laser tập trung nhất và thách thức về mặt kỹ thuật. Về kết nối điện, ứng dụng cốt lõi là hàn nối tiếp và song song giữa các tế bào. Bằng cách kết nối các thanh cái (thường là thanh nhôm hoặc đồng) với các cực của tế bào, hệ thống mạch điện của toàn bộ bộ pin sẽ được xây dựng.
Những khó khăn trong quá trình này nằm ở: 1) thách thức về đặc tính vật liệu-đồng và nhôm có độ phản xạ cao đối với tia laser hồng ngoại thường được sử dụng và tính dẫn nhiệt cao, khiến việc hàn trở nên khó khăn; 2) nối các vật liệu khác nhau, chẳng hạn như kết nối giữa thanh cái đồng và thiết bị đầu cuối bằng nhôm, dễ hình thành các hợp chất kim loại giòn (IMC) ảnh hưởng đến-độ tin cậy lâu dài của kết nối. Để giải quyết những thách thức này, ngành công nghiệp đã phát triển các quy trình tiên tiến như hàn laze dao động, hàn lai (ví dụ: hồ quang laze-) và sử dụng các laze bước sóng mới như laze lục hoặc lam. Những công nghệ này ngăn chặn một cách hiệu quả các khuyết tật như vết bắn tung tóe và độ xốp, đồng thời kiểm soát độ dày của lớp IMC bằng cách mở rộng bể nóng chảy, tăng cường khuấy trộn và tăng khả năng hấp thụ năng lượng, từ đó đạt được các kết nối điện. Về mặt kết nối kết cấu, hàn laser cũng đóng một vai trò quan trọng. Ví dụ, nó có thể được sử dụng cho các thành phần cấu trúc như tấm bên mô-đun và tấm cuối để cố định các tế bào cũng như để kết nối vỏ và nắp bộ pin. So với các kết nối vít hoặc đinh tán truyền thống, hàn laser có thể đạt được mức độ tích hợp và độ bền kết cấu cao hơn, giúp cải thiện khả năng chống rung và va đập của bộ pin. Ngoài ra, các mối hàn nhỏ trong mạch thu thập của cảm biến điện áp và nhiệt độ trong hệ thống quản lý pin ngày càng được chế tạo bằng phương pháp hàn laze để đảm bảo độ ổn định lâu dài và độ tin cậy của việc thu thập tín hiệu.
04 Tóm tắt Công nghệ hàn laser với độ chính xác, tốc độ và độ tin cậy cao đã được tích hợp vào từng bước sản xuất pin điện. Từ việc hàn tab tế bào ở quy mô cực nhỏ đến các kết nối cấu trúc gói pin ở quy mô lớn, từ việc đóng gói kín khí đảm bảo an toàn cho tế bào đến các kết nối điện có điện trở-có điện trở thấp xác định hiệu suất của pin, hàn laser đóng một vai trò cốt lõi không thể thay thế. Nó không chỉ giải quyết một cách hiệu quả những thách thức trong việc xử lý các vật liệu hàn khó--như đồng và nhôm, đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất và tính nhất quán của quá trình sản xuất tự động-quy mô lớn mà còn tối đa hóa khả năng bảo vệ hiệu suất điện hóa của pin thông qua việc kiểm soát chính xác nhiệt hàn. Sự trưởng thành và phát triển của công nghệ hàn laser đã trở thành động cơ công nghệ quan trọng thúc đẩy mật độ năng lượng của pin tăng lên, giảm chi phí sản xuất và cải thiện hiệu suất an toàn, tạo nền tảng sản xuất vững chắc cho sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp xe năng lượng mới toàn cầu.
