01 Introduction
Dans le contexte de transition de l'industrie automobile mondiale vers l'électrification, les batteries de puissance, en tant que source d'énergie principale des véhicules à énergie nouvelle, déterminent la compétitivité des véhicules électriques sur le marché grâce à leurs performances, leur sécurité et leur coût. La fabrication de batteries de puissance est un processus complexe qui implique des connaissances interdisciplinaires, notamment la science des matériaux, l'électrochimie et l'ingénierie de précision. Une technologie de connexion de haute-qualité constitue un maillon crucial tout au long de ce processus. Les méthodes d'assemblage traditionnelles, telles que le soudage par résistance et le soudage par ultrasons, présentent de plus en plus de limites-telles que des effets thermiques importants, une mauvaise cohérence et des fenêtres de paramètres de processus étroites-lorsqu'il s'agit d'une production automatisée à grande échelle-de batteries de puissance et de la manipulation de matériaux à haute conductivité thermique comme le cuivre et l'aluminium. La technologie de soudage au laser, avec sa haute densité d'énergie, son apport de chaleur contrôlable, sa nature sans -contact et sa facilité d'automatisation, répond aux exigences strictes de la fabrication de batteries de puissance en matière de précision, d'efficacité et de fiabilité, et est devenue un processus essentiel tout au long du flux de travail, de la production de cellules à l'assemblage des batteries. Cet article vise à illustrer les applications spécifiques de la technologie de soudage laser à différentes étapes de fabrication des batteries de puissance et à résumer son rôle important dans la promotion du développement de l'industrie des batteries de puissance.
02 Application au stade de la fabrication des cellules de batterie
La cellule de batterie est l’unité fondamentale d’une batterie de puissance, et sa précision de fabrication et son étanchéité sont des garanties essentielles de la sécurité et des performances de la batterie. Le soudage au laser est principalement utilisé pour la connexion précise et le scellement final des cellules de batterie. Premièrement, pour les connexions électriques à l’intérieur de la cellule de batterie, le soudage laser est utilisé pour souder les languettes. Une fois le processus d'enroulement ou d'empilage terminé, il est nécessaire de souder fermement les languettes des électrodes positives (feuille d'aluminium) et négatives (feuille de cuivre), qui peuvent être constituées de dizaines, voire de centaines de couches, ainsi que les collecteurs de courant, et de former un chemin électrique fiable avec les bornes externes ou les pièces de connexion, comme le montre la figure 1. Le soudage au laser peut fusionner instantanément ces matériaux minces avec des durées d'impulsion extrêmement courtes, formant des points de soudure à faible résistance et à haute résistance. Son avantage réside dans la zone affectée thermiquement-minimale, évitant efficacement les dommages thermiques aux séparateurs et aux matériaux actifs voisins, préservant ainsi les performances électrochimiques de la cellule de batterie.
Deuxièmement, lors de la phase finale d’emballage des cellules de batterie, le soudage au laser est l’une des méthodes efficaces pour obtenir une étanchéité hermétique. Dans le même temps, le soudage au laser est utilisé pour relier le couvercle supérieur et le boîtier des batteries à coque carrée en aluminium et des batteries à coque cylindrique en acier. En contrôlant avec précision la puissance, la vitesse et la position focale du laser, un cordon de soudure continu, lisse et dense peut être formé sur le boîtier, empêchant efficacement les fuites d'électrolyte et la pénétration d'humidité externe, garantissant ainsi la stabilité chimique de la cellule de batterie tout au long de sa durée de vie. Pour les cellules en poche, le soudage au laser est utilisé dans les processus de scellement supérieur et latéral, en soudant les languettes saillantes aux pièces de connexion et de transition de protection (généralement en cuivre ou en aluminium nickelé-). Sa nature sans contact-garantit l'efficacité de l'emballage et aucun dommage au matériau d'emballage en film plastique en aluminium-, comme le montre la figure 2.
03 L'application dans la phase d'assemblage de modules de batterie et de packs de batteries implique l'intégration de cellules individuelles dans des modules et des packs de batteries, nécessitant un grand nombre de connexions électriques et de fixations structurelles. C’est l’étape où le soudage au laser est le plus concentré et techniquement le plus difficile. En termes de connexions électriques, l’application principale est le soudage en série et en parallèle entre cellules. En connectant les barres omnibus (généralement des barres en aluminium ou en cuivre) aux bornes des cellules, le système de circuit électrique de l'ensemble de la batterie est construit.
Les difficultés de ce processus résident dans : 1) les caractéristiques des matériaux -le cuivre et l'aluminium ont une réflectivité élevée par rapport aux lasers infrarouges couramment utilisés et une conductivité thermique élevée, ce qui rend le soudage difficile ; 2) l'assemblage de matériaux différents, tels que la connexion entre les barres omnibus en cuivre et les bornes en aluminium, qui sont susceptibles de former des composés intermétalliques (IMC) fragiles qui affectent la fiabilité à long terme de la connexion. Pour relever ces défis, l'industrie a développé des procédés avancés tels que le soudage au laser oscillant, le soudage hybride (par exemple, l'arc laser-) et l'utilisation de lasers à nouvelle longueur d'onde tels que les lasers verts ou bleus. Ces technologies suppriment efficacement les défauts tels que les projections et la porosité et contrôlent l'épaisseur de la couche IMC en élargissant le bain de fusion, en améliorant l'agitation et en augmentant l'absorption d'énergie, réalisant ainsi des connexions électriques. En termes de liaisons structurelles, le soudage laser joue également un rôle important. Par exemple, il peut être utilisé pour des composants structurels tels que les plaques latérales et les plaques d'extrémité des modules qui fixent les cellules, ainsi que pour connecter le boîtier et le couvercle de la batterie. Par rapport aux connexions traditionnelles à vis ou à rivets, le soudage au laser peut atteindre un degré plus élevé d'intégration et de résistance structurelle, ce qui contribue à améliorer la résistance de la batterie aux vibrations et aux chocs. De plus, de minuscules soudures dans les circuits d'acquisition des capteurs de tension et de température dans les systèmes de gestion de batterie sont de plus en plus réalisées à l'aide du soudage laser pour garantir la stabilité et la fiabilité à long terme de l'acquisition du signal.
04 RésuméLa technologie de soudage laser, avec sa haute précision, sa rapidité et sa fiabilité, a été intégrée à chaque étape de la fabrication des batteries de puissance. Du soudage des languettes de cellules à l'échelle microscopique aux connexions structurelles des batteries à l'échelle macro, de l'emballage hermétique qui garantit la sécurité des cellules aux connexions électriques à faible résistance qui déterminent les performances de la batterie, le soudage au laser joue un rôle central irremplaçable. Non seulement il résout efficacement les défis liés au traitement de matériaux difficiles-à-souder tels que le cuivre et l'aluminium, en répondant aux exigences d'efficacité et de cohérence d'une production automatisée à grande échelle-, mais il maximise également la protection des performances électrochimiques de la batterie grâce à un contrôle précis de la chaleur de soudage. La maturation et le développement de la technologie de soudage laser sont devenus un moteur technologique clé entraînant une augmentation de la densité énergétique des batteries de puissance, une réduction des coûts de fabrication et une amélioration des performances de sécurité, fournissant ainsi une base de fabrication solide pour le développement rapide de l'industrie mondiale des véhicules à énergies nouvelles.
