替代燃油車的終極構(gòu)想驅(qū)動,電池的快充性能從2C走向4C、6C,巨灣技研在6月初發(fā)布的鳳凰電池技術(shù)甚至實現(xiàn)了最高8C的水平。
現(xiàn)階段快充技術(shù)主要通過高壓實現(xiàn),其對電池材料、結(jié)構(gòu)體系的要求之一便是承受高壓。具體在制造工序中,多層極耳焊接成為邁向快充時代前路的一塊短板。
極耳焊接的層數(shù)與快充性能成正相關(guān),層數(shù)越多,電池內(nèi)阻越小、倍率性能更優(yōu)、更能承受高電壓快充。目前極耳焊接的層數(shù)約為60片,而電池廠商已提出超100層的下一代要求。供給方與需求方的關(guān)鍵性能指標出現(xiàn)斷層。
不僅層數(shù)上有很大空間,多層極耳焊接是電池生產(chǎn)中良率最低的環(huán)節(jié)。當其他工序良率普遍突破99%,不斷向“1”逼近時,多層極耳焊接環(huán)節(jié)良率仍處于94%-97%的瓶頸階段。
此外,新箔材復(fù)合集流體產(chǎn)業(yè)化加速中,受復(fù)合集流體中的基膜絕緣性影響,主流的焊接工藝難以滿足其多層焊接要求。
工藝亟待變革。常州一隅,電阻焊老兵上海梅達新設(shè)立公司卡洛維德,經(jīng)過二到三年多的技術(shù)攻克,研發(fā)出區(qū)別于超聲波焊接、激光焊接的“第三種焊接工藝”——壓熔焊,在多層極耳焊接環(huán)節(jié)爆發(fā)生命力。
開啟極耳+極柱
“一次焊接”時代
多層極耳焊接通常需應(yīng)用超聲波焊接、激光焊接兩種工藝,對焊接表面清潔要求較高的超聲波焊接預(yù)先將金屬材料焊在一起(預(yù)焊),再通過激光焊接消除超聲波焊接中的虛焊。
根據(jù)電池廠產(chǎn)線設(shè)置的區(qū)別,多層極耳焊接與接續(xù)的極柱焊接一般分為三步或兩步。三步為多層極耳預(yù)焊(超聲波)、多層極耳終焊(激光)、極耳極柱焊接(激光);兩步則在多層極耳預(yù)焊環(huán)節(jié)加上極柱,再進行激光終焊。
良率之所以低,是由于超聲波焊接是通過聲波的高頻振動焊接,而極耳箔材薄、層數(shù)多,壓力太大箔材易撕裂,壓力太小則會出現(xiàn)虛焊,兩種情況均會影響電池質(zhì)量。
所以,即便兩步法相較于三步法在流程上有所化簡,但激光消除虛焊環(huán)節(jié)仍舊不可規(guī)避,仍難徹底解決多層極耳焊接環(huán)節(jié)中的低良率。
位于常州的新公司卡洛維德則研發(fā)出多層極耳焊接的“第三種工藝”——壓熔焊,實現(xiàn)從多層極耳到極耳極柱的一次焊接。
壓熔焊的工藝基礎(chǔ)為傳統(tǒng)焊接工藝——電阻焊中的點焊,此前被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電器等領(lǐng)域的焊接工序中。區(qū)別傳統(tǒng)點焊實現(xiàn)點狀連接,卡洛維德壓熔焊,還能實現(xiàn)線形的、環(huán)形連接。
壓熔焊實現(xiàn)兩道工序一次焊接的“密鑰”在于,上、下電極在焊接壓力作用下,連同多層極耳和極柱蓋板一起壓緊,并利用電流通過焊件接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱,將被焊金屬加熱到局部熔化或達到高溫塑性狀態(tài),形成牢固的焊接接頭。
在焊接效果上,卡洛維德壓熔焊設(shè)備最多可實現(xiàn)鋁箔120層、銅材80層。以實際生產(chǎn)中的60-70層為例,卡洛維德壓熔焊可達到垂直向400N拉力(通常電池廠要求50N以上),焊接良率高。
特別地,卡洛維德表示,目前公司對復(fù)合集流體的多層焊接難點在持續(xù)性攻關(guān),已實現(xiàn)60層復(fù)合銅箔焊接,近期正在對60層復(fù)合鋁箔焊接做攻克,未來還將在復(fù)合集流體的焊接層數(shù)上做更高挑戰(zhàn)。
成本方面,壓熔焊設(shè)備成本與超聲波焊接、激光焊接相當,但因工序的減少,整體上一次成本大幅降低,用電量少,耗材可修復(fù)后重復(fù)使用。由于采用了優(yōu)化設(shè)計,壓熔焊在節(jié)能、環(huán)保方面也取得了很大的突破。
值得一提的是,壓熔焊設(shè)備故障率低。前身點焊設(shè)備此前被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域金屬焊接工序中,多年的實際應(yīng)用中,設(shè)備的穩(wěn)定性倍受認可。在汽車車身焊接中,已有設(shè)備使用超20年的先例。
在焊接效率上,按照0.3s一個焊點,一臺壓熔焊設(shè)備效率在100PPM-200PPM。
能源變革下
老牌焊接技術(shù)“新活法”
電阻焊在各領(lǐng)域焊接中能長青不倒,不無原因。新工藝壓熔焊繼承了傳統(tǒng)點焊的焊接范圍小、精度高、柔性好等絕大部分優(yōu)勢。
但TWh時代的規(guī)模化生產(chǎn)需求讓產(chǎn)線速度越來越快,相比于激光焊接、超聲波焊接對快生產(chǎn)節(jié)奏的適應(yīng),電阻焊似乎在電池生產(chǎn)應(yīng)用中境地尷尬。卡洛維德也告訴高工鋰電,點焊不做突破性變革是無法進行多層極耳焊接的。
窮則變,變則通。深耕電阻焊工藝的卡洛維德通過重新構(gòu)建工藝壁壘,將老牌工藝再次推向能源變革的風口。
溫度是多層極耳焊接門檻之一。
因電池隔膜的性能會受高溫影響(約130℃),這對通過電阻熱實現(xiàn)焊接的壓熔焊提出了挑戰(zhàn)。在多層極耳焊接中,鋁箔、銅箔的焊接區(qū)溫度分別高達660℃、1100℃,遠超隔膜可承受溫度。卡洛維德已對高溫問題做了集中攻克,采用適當?shù)哪芰靠刂萍夹g(shù)陡化焊接區(qū)外側(cè)的溫度梯度,可保證隔膜性能不受影響。
同時,壓熔焊的焊接形狀面積約為20平方毫米,約為超聲波焊接面積的五分之一。不僅大幅縮小高溫影響的范圍,更大的優(yōu)勢在于,小面積賦予了壓熔焊更高的柔性。無論電池型號如何改變,只要焊接表面大于壓熔焊接面積,設(shè)備都能適用,而這一優(yōu)勢也源于對點焊工藝的繼承。
此外,若直接用傳統(tǒng)點焊進行多層極耳焊接,將面臨飛濺嚴重、熔核生長難、電極磨損快三大痛點。
應(yīng)對電極磨損,卡洛維德合理利用零件結(jié)構(gòu)對電極實施防粘措施,已實現(xiàn)一班一換方案落地,支持單臺設(shè)備每班焊接過萬顆電池(一極兩處焊點,焊接次數(shù)超2萬次)。
對于飛濺與熔核生長難,卡洛維德表示,工藝創(chuàng)新基礎(chǔ)上,還需要過硬的硬件設(shè)備支撐,這同時是脫胎于上海梅達的卡洛維德的優(yōu)勢所在。
1993年,上海電焊機廠與WTC, ROMAN成立合資公司上海梅達,此后上海梅達深耕電阻焊工藝,一路發(fā)展壯大,成為汽車車身焊接設(shè)備的行業(yè)領(lǐng)先者。
在硬件上,卡洛維德有來自WTC的核心技術(shù)支持,擁有多型號焊接控制器、焊接電源、焊接變壓器。在硬件基礎(chǔ)上,通過工藝調(diào)試,足以高效率、高良率支撐多層極耳焊接。
目前,卡洛維德壓熔焊已應(yīng)用于頭部電池廠的負極多層極耳焊接中,正極設(shè)備正在試生產(chǎn)環(huán)節(jié)。
卡洛維德表示,下游對壓熔焊在多層極耳焊接中的效果是認可的,但在新能源領(lǐng)域中,壓熔焊仍屬于新工藝,還需要與更多客戶通過更長時間驗證壓熔焊的變革性進步。
據(jù)了解,除了多層極耳焊接,卡洛維德已經(jīng)布局封口焊接、匯流排焊接等工序設(shè)備。電阻焊工藝會否掀起一場電池焊接市場變局,值得期待。
審核編輯:劉清
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原文標題:迎接快充時代 多層極耳焊接向百層“猛進”
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