Les batteries au lithium à boîtier carré en aluminium présentent de nombreux avantages, tels qu'une structure simple, une bonne résistance aux chocs, une densité énergétique élevée et une grande capacité. Elles ont toujours constitué l'axe principal de la production et du développement des batteries au lithium en Chine, représentant plus de 40 % du marché.
La structure de la batterie au lithium à coque carrée en aluminium est celle illustrée sur la figure ; elle est composée du noyau de la batterie (feuilles d’électrodes positive et négative, séparateur), de l’électrolyte, de la coque, du couvercle supérieur et d’autres composants.
structure de batterie au lithium à coque carrée en aluminium
Lors du processus de fabrication et d'assemblage des batteries au lithium à boîtier carré en aluminium, un grand nombre desoudage laserDes procédés sont nécessaires, tels que le soudage des connexions souples des cellules et des plaques de recouvrement, le soudage d'étanchéité des plaques de recouvrement, le soudage des clous d'étanchéité, etc. Le soudage laser est la principale méthode de soudage pour les batteries prismatiques. Grâce à sa haute densité énergétique, sa bonne stabilité de puissance, sa grande précision de soudage, sa facilité d'intégration et ses nombreux autres avantages,soudage laserest irremplaçable dans le processus de production des batteries au lithium à coque prismatique en aluminium. rôle.
Plateforme galvanométrique automatique 4 axes Mavenmachine de soudage laser à fibre
Le cordon de soudure du joint du couvercle supérieur est le plus long et le plus long à réaliser dans une batterie à boîtier carré en aluminium. Ces dernières années, l'industrie de la fabrication des batteries au lithium a connu un développement rapide, tout comme les technologies de soudage laser du joint du couvercle supérieur et les équipements associés. En fonction de la vitesse et des performances des équipements, on distingue trois grandes générations d'équipements et de procédés de soudage laser du couvercle supérieur : la génération 1.0 (2015-2017) avec une vitesse de soudage inférieure à 100 mm/s, la génération 2.0 (2017-2018) avec une vitesse de 100 à 200 mm/s, et la génération 3.0 (2019 et suivantes) avec une vitesse de 200 à 300 mm/s. L'évolution technologique au fil du temps est présentée ci-après.
1. L'ère 1.0 de la technologie de soudage laser des capots supérieurs
vitesse de soudage<100 mm/s
De 2015 à 2017, le marché chinois des véhicules à énergies nouvelles a connu un essor considérable, stimulé par des politiques favorables, et l'industrie des batteries de puissance a commencé à se développer. Cependant, l'accumulation technologique et les ressources humaines des entreprises nationales restent relativement limitées. Les procédés de fabrication de batteries et les technologies d'équipement associées sont encore balbutiants, et le niveau d'automatisation des équipements est relativement faible. Les fabricants d'équipements commencent tout juste à s'intéresser à la fabrication de batteries de puissance et à investir davantage dans la recherche et le développement. À ce stade, les exigences de productivité du secteur pour les équipements de scellage laser de batteries carrées sont généralement de 6 à 10 ppm. La solution d'équipement utilise généralement un laser à fibre de 1 kW pour émettre à travers un système ordinaire.tête de soudage laser(Comme illustré), la tête de soudage est actionnée par un servomoteur de plateforme ou un moteur linéaire. Déplacement et soudage, vitesse de soudage : 50 à 100 mm/s.
Utilisation d'un laser de 1 kW pour souder le couvercle supérieur du noyau de la batterie
Dans lesoudage laserGrâce à la vitesse de soudage relativement faible et à la durée relativement longue du cycle thermique de la soudure, le bain de fusion a suffisamment de temps pour s'écouler et se solidifier, et le gaz protecteur peut mieux recouvrir le bain de fusion, ce qui facilite l'obtention d'une surface lisse et complète, et de soudures d'une bonne homogénéité, comme illustré ci-dessous.
Formation du cordon de soudure pour le soudage à basse vitesse du couvercle supérieur
En termes d'équipement, bien que la productivité ne soit pas élevée, la structure de l'équipement est relativement simple, sa stabilité est bonne et son coût est faible, ce qui répond bien aux besoins du développement industriel à ce stade et jette les bases des développements technologiques ultérieurs.
Bien que le soudage de l'étanchéité du couvercle supérieur de première génération présente l'avantage d'une solution matérielle simple, d'un faible coût et d'une bonne stabilité, ses limitations intrinsèques sont également évidentes. Du point de vue de l'équipement, la capacité d'entraînement du moteur ne permet pas d'accroître davantage la vitesse. Du point de vue technologique, augmenter simplement la vitesse de soudage et la puissance du laser pour accélérer le processus engendre une instabilité et une baisse du rendement : l'augmentation de la vitesse raccourcit le temps du cycle thermique de soudage, la fusion du métal est plus intense, les projections augmentent, la tolérance aux impuretés est moindre et le risque de formation de piqûres est accru. Parallèlement, le temps de solidification du bain de fusion est réduit, ce qui rend la surface de la soudure rugueuse et diminue son homogénéité. Lorsque le point d'impact du laser est petit, l'apport de chaleur est faible et les projections sont réduites, mais le rapport profondeur/largeur de la soudure est élevé et sa largeur est insuffisante. À l'inverse, lorsque le point d'impact est grand, une puissance laser plus importante est nécessaire pour augmenter la largeur de la soudure. Bien que de grande envergure, cette augmentation entraînera une hausse des projections de soudure et une qualité de surface médiocre. Avec les moyens techniques actuels, toute accélération supplémentaire se fera au détriment du rendement, et la modernisation des équipements et des procédés est devenue une nécessité pour l'industrie.
2. L'ère 2.0 de la couverture supérieuresoudage lasertechnologie
vitesse de soudage 200 mm/s
En 2016, la capacité installée de batteries pour véhicules électriques en Chine était d'environ 30,8 GWh, puis d'environ 36 GWh en 2017. En 2018, une nouvelle explosion a eu lieu, la capacité installée atteignant 57 GWh, soit une augmentation de 57 % par rapport à l'année précédente. La production de véhicules particuliers à énergies nouvelles a également frôlé le million d'unités, soit une hausse de 80,7 % sur un an. Cette explosion de la capacité installée s'explique par la libération des capacités de production de batteries au lithium. Les batteries pour véhicules particuliers à énergies nouvelles représentent plus de 50 % de la capacité installée, ce qui signifie que les exigences du secteur en matière de performance et de qualité des batteries vont devenir de plus en plus strictes. Les progrès technologiques en matière d'équipements et de procédés de fabrication marquent ainsi une nouvelle étape : pour répondre aux exigences de production sur une seule ligne, la capacité de production des équipements de soudage laser des capots supérieurs doit être portée à 15-20 ppm.soudage laserLa vitesse doit atteindre 150 à 200 mm/s. Par conséquent, en matière de moteurs d'entraînement, divers fabricants d'équipements ont modernisé la plateforme de moteurs linéaires afin que son mécanisme de mouvement réponde aux exigences de performance pour le soudage à vitesse uniforme de 200 mm/s sur une trajectoire rectangulaire. Cependant, garantir la qualité du soudage à haute vitesse exige de nouvelles avancées technologiques, et les entreprises du secteur ont mené de nombreuses recherches et études. Par rapport à l'ère 1.0, le problème auquel est confronté le soudage à haute vitesse à l'ère 2.0 est le suivant : l'utilisation de lasers à fibre ordinaires pour produire une source lumineuse ponctuelle à travers des têtes de soudage classiques ne permet pas d'atteindre la vitesse de 200 mm/s requise.
Dans la solution technique d'origine, l'effet de soudage ne peut être contrôlé qu'en configurant les options, en ajustant la taille du spot et des paramètres de base tels que la puissance du laser : avec une configuration à spot réduit, le trou de serrure du bain de fusion est petit, sa forme est instable et le soudage est irrégulier. La largeur du cordon de fusion est également relativement faible ; avec une configuration à spot plus large, le trou de serrure augmente, mais la puissance de soudage est considérablement accrue, ce qui augmente significativement les projections et les défauts d'extrusion.
Théoriquement, si vous voulez garantir l'effet de formage de la soudure à grande vitessesoudage laserConcernant le couvercle supérieur, vous devez satisfaire aux exigences suivantes :
① Le cordon de soudure a une largeur suffisante et le rapport profondeur/largeur du cordon de soudure est approprié, ce qui exige que la plage d'action thermique de la source lumineuse soit suffisamment grande et que l'énergie de la ligne de soudure soit dans une plage raisonnable ;
② La soudure est lisse, ce qui nécessite que le temps de cycle thermique de la soudure soit suffisamment long pendant le processus de soudage afin que le bain de fusion ait une fluidité suffisante et que la soudure se solidifie en une soudure métallique lisse sous la protection du gaz protecteur ;
③ Le cordon de soudure présente une bonne régularité et peu de porosités. Ceci exige que, durant le soudage, le laser agisse de manière stable sur la pièce et que le plasma du faisceau haute énergie soit généré en continu et agisse à l'intérieur du bain de fusion. Sous l'effet de la force de réaction du plasma, le bain de fusion produit un « trou de serrure » suffisamment grand et stable pour que les vapeurs métalliques et le plasma générés ne soient pas facilement éjectés, évitant ainsi la formation de gouttelettes de métal et d'éclaboussures. De plus, le bain de fusion autour du trou de serrure ne risque pas de s'affaisser et d'entraîner la présence de gaz. Même en cas de combustion de corps étrangers durant le soudage et de dégagement explosif de gaz, un trou de serrure plus large favorise l'évacuation de ces gaz et réduit les projections de métal et la formation de trous.
En réponse aux points évoqués ci-dessus, les entreprises de fabrication de batteries et d'équipements du secteur ont mis en œuvre diverses initiatives et pratiques : la fabrication de batteries au lithium est développée au Japon depuis des décennies, et les technologies de fabrication associées y ont pris l'ascendant.
En 2004, alors que la technologie laser à fibre n'était pas encore largement utilisée commercialement, Panasonic utilisait des lasers semi-conducteurs LD et des lasers YAG pompés par lampe pulsée pour une sortie mixte (le schéma est illustré dans la figure ci-dessous).
Schéma de principe de la technologie de soudage hybride multi-laser et de la structure de la tête de soudage
Le point lumineux à haute densité de puissance généré par l'impulsionlaser YAGUn faisceau ponctuel de petite taille est utilisé sur la pièce pour créer des trous de soudure et obtenir une pénétration suffisante. Simultanément, un laser semi-conducteur LD fournit un faisceau continu (CW) pour préchauffer et souder la pièce. Le bain de fusion, durant le soudage, apporte davantage d'énergie, ce qui permet d'obtenir des trous de soudure plus larges, d'élargir le cordon de soudure et d'allonger le temps de fermeture des trous. Ce processus favorise également l'évacuation des gaz contenus dans le bain et réduit la porosité du cordon de soudure, comme illustré ci-dessous.
Schéma de principe de l'hybridesoudage laser
En appliquant cette technologie,Lasers YAGDes lasers LD d'une puissance de seulement quelques centaines de watts peuvent être utilisés pour souder des boîtiers de batteries au lithium minces à une vitesse élevée de 80 mm/s. Le résultat de la soudure est illustré sur la figure.
Morphologie de la soudure sous différents paramètres de procédé
Avec le développement et l'essor des lasers à fibre, ces derniers ont progressivement remplacé les lasers YAG pulsés dans le traitement des métaux au laser en raison de leurs nombreux avantages tels qu'une bonne qualité de faisceau, un rendement de conversion photoélectrique élevé, une longue durée de vie, une maintenance facile et une puissance élevée.
Par conséquent, la combinaison laser de la solution de soudage hybride décrite ci-dessus a évolué vers un laser à fibre associé à un laser semi-conducteur LD. Le faisceau laser est également émis coaxialement via une tête de traitement spécifique (la tête de soudage est illustrée figure 7). Le mécanisme d'action du laser reste inchangé pendant le processus de soudage.
joint de soudage laser composite
Dans ce plan, le pulsélaser YAGLe laser est remplacé par un laser à fibre offrant une meilleure qualité de faisceau, une puissance supérieure et un fonctionnement continu, ce qui augmente considérablement la vitesse de soudage et permet d'obtenir une meilleure qualité de soudure (voir figure 8). Cette solution est donc privilégiée par certains clients. Actuellement, elle est utilisée pour le soudage d'étanchéité des couvercles supérieurs de batteries et permet d'atteindre une vitesse de soudage de 200 mm/s.
Aspect de la soudure du couvercle supérieur par soudage laser hybride
Bien que la solution de soudage laser à double longueur d'onde résolve le problème de la stabilité de la soudure à grande vitesse et réponde aux exigences de qualité de soudure des couvercles supérieurs des cellules de batterie à grande vitesse, cette solution présente encore certains problèmes du point de vue de l'équipement et du processus.
Tout d'abord, les composants matériels de cette solution sont relativement complexes, nécessitant l'utilisation de deux types de lasers différents et de joints de soudage laser spéciaux à double longueur d'onde, ce qui augmente les coûts d'investissement en équipement, la difficulté de maintenance de l'équipement et les points de défaillance potentiels de l'équipement ;
Deuxièmement, la double longueur d'ondesoudage laserLe joint utilisé est composé de plusieurs ensembles de lentilles (voir figure 4). La perte de puissance est supérieure à celle des joints soudés ordinaires, et la position des lentilles doit être ajustée avec précision pour garantir la sortie coaxiale du laser à double longueur d'onde. De plus, la focalisation sur un plan focal fixe et un fonctionnement prolongé à haute vitesse peuvent entraîner un desserrage des lentilles, provoquant des modifications du trajet optique et affectant la qualité de la soudure, ce qui nécessite un réajustement manuel.
Troisièmement, lors du soudage, la réflexion du laser est importante et peut facilement endommager les équipements et les composants. En particulier lors de la réparation de produits défectueux, la surface lisse de la soudure réfléchit une grande quantité de lumière laser, ce qui peut facilement déclencher une alarme laser et nécessiter un ajustement des paramètres de traitement pour la réparation.
Afin de résoudre les problèmes susmentionnés, nous devons explorer d'autres pistes. En 2017-2018, nous avons étudié l'oscillation à haute fréquence.soudage laserLa technologie du couvercle supérieur de la batterie a été développée et mise en application dans le cadre de la production industrielle. Le soudage par balayage laser haute fréquence (ci-après dénommé soudage par balayage) est un autre procédé de soudage à grande vitesse actuel, atteignant 200 mm/s.
Comparée à la solution de soudage laser hybride, la partie matérielle de cette solution ne nécessite qu'un laser à fibre ordinaire couplé à une tête de soudage laser oscillante.
tête de soudage oscillante
La tête de soudage intègre une lentille réfléchissante motorisée, programmable pour contrôler le balayage du laser selon une trajectoire prédéfinie (généralement circulaire, en S, en 8, etc.), une amplitude et une fréquence de balayage. Différents paramètres de balayage permettent d'obtenir des sections de soudage de formes et de dimensions variées.
Soudures obtenues sous différentes trajectoires de balancement
La tête de soudage oscillante haute fréquence est entraînée par un moteur linéaire pour souder le long de l'espace entre les pièces. En fonction de l'épaisseur de la paroi de la cellule, le type et l'amplitude de la trajectoire d'oscillation sont sélectionnés. Lors du soudage, le faisceau laser statique ne forme qu'une section transversale de soudure en forme de V. En revanche, grâce à la tête de soudage oscillante, le point focal du faisceau oscille à grande vitesse dans le plan focal, formant un trou de serrure de soudage dynamique et rotatif, ce qui permet d'obtenir un rapport profondeur/largeur de soudure optimal.
Le mouvement rotatif du trou de serrure lors du soudage brasse la soudure. D'une part, il favorise l'évacuation des gaz et réduit la porosité de la soudure, tout en contribuant à la réparation des piqûres au point d'explosion (voir figure 12). D'autre part, le métal d'apport est chauffé et refroidi de manière uniforme. Cette circulation confère à la surface de la soudure un aspect régulier en écailles de poisson.
formation de cordon de soudure oscillante
Adaptabilité des soudures à la contamination par la peinture sous différents paramètres de balancement
Les points mentionnés ci-dessus satisfont aux trois exigences de qualité fondamentales pour le soudage à grande vitesse du couvercle supérieur. Cette solution présente d'autres avantages :
① Étant donné que la majeure partie de la puissance laser est injectée dans le trou de serrure dynamique, le laser diffusé externe est réduit, de sorte qu'une puissance laser plus faible est nécessaire et que l'apport de chaleur de soudage est relativement faible (30 % de moins que le soudage composite), ce qui réduit les pertes d'équipement et les pertes d'énergie ;
② La méthode de soudage oscillant présente une grande adaptabilité à la qualité d'assemblage des pièces et réduit les défauts causés par des problèmes tels que les étapes d'assemblage ;
③La méthode de soudage oscillant a un fort effet de réparation sur les trous de soudure, et le taux de rendement de l'utilisation de cette méthode pour réparer les trous de soudure du noyau de la batterie est extrêmement élevé ;
④ Le système est simple, et le débogage et la maintenance de l'équipement sont simples.
3. L'ère 3.0 de la technologie de soudage laser des capots supérieurs
vitesse de soudage 300 mm/s
Avec la diminution continue des subventions aux énergies nouvelles, la quasi-totalité de la chaîne industrielle de fabrication des batteries est en pleine crise. Le secteur est également entré dans une phase de restructuration, et la part des entreprises leaders, grâce à leur taille et à leurs avantages technologiques, s'est encore accrue. Parallèlement, « améliorer la qualité, réduire les coûts et accroître l'efficacité » deviendra le principal enjeu pour de nombreuses entreprises.
En période de faibles subventions ou d'absence de subventions, seules des améliorations technologiques itératives, une efficacité de production accrue, une réduction du coût de fabrication d'une batterie et une amélioration de la qualité du produit peuvent nous donner une chance supplémentaire de gagner la compétition.
Han's Laser poursuit ses investissements dans la recherche sur les technologies de soudage à grande vitesse pour les couvercles de cellules de batteries. Outre les procédés déjà mentionnés, l'entreprise étudie également des technologies de pointe telles que le soudage laser annulaire et le soudage laser galvanométrique pour ces mêmes couvercles.
Afin d'améliorer encore l'efficacité de la production, il convient d'explorer la technologie de soudage par recouvrement à une vitesse de 300 mm/s et plus. Han's Laser a étudié le soudage laser galvanométrique à balayage en 2017-2018, surmontant les difficultés techniques liées à la protection gazeuse complexe de la pièce lors du soudage galvanométrique et à la mauvaise qualité de la surface de soudure, et atteignant une vitesse de 400 à 500 mm/s.soudage laserdu couvercle supérieur de la cellule. La soudure ne prend qu'une seconde pour une batterie 26148.
Cependant, en raison de son rendement élevé, il est extrêmement difficile de développer des équipements auxiliaires aussi performants, et leur coût est élevé. Par conséquent, aucun développement d'application commerciale supplémentaire n'a été entrepris pour cette solution.
Avec le développement ultérieur delaser à fibreGrâce à cette technologie, de nouveaux lasers à fibre haute puissance capables de produire directement des points lumineux annulaires ont été mis au point. Ce type de laser peut générer des points laser annulaires ponctuels grâce à des fibres optiques multicouches spéciales, et la forme du point ainsi que la distribution de la puissance peuvent être ajustées, comme illustré sur la figure.
Soudures obtenues sous différentes trajectoires de balancement
Par réglage, la distribution de la densité de puissance du laser peut prendre une forme de point, d'anneau ou de chapeau haut-de-forme. Ce type de laser est appelé laser corona, comme illustré sur la figure.
Faisceau laser réglable (respectivement : lumière centrale, lumière centrale + lumière annulaire, lumière annulaire, deux lumières annulaires)
En 2018, l'application de plusieurs lasers de ce type au soudage des couvercles supérieurs de cellules de batteries en aluminium a été testée. S'appuyant sur le laser Corona, des recherches sur une solution technologique de procédé 3.0 pour le soudage laser de ces couvercles ont été lancées. Lorsque le laser Corona fonctionne en mode point-anneau, la distribution de la densité de puissance de son faisceau de sortie est similaire à celle d'un faisceau composite combinant un laser à semi-conducteur et un laser à fibre.
Lors du processus de soudage, le faisceau lumineux central à haute densité de puissance forme un trou de serrure pour un soudage à pénétration profonde afin d'obtenir une pénétration de soudage suffisante (similaire à la sortie du laser à fibre dans la solution de soudage hybride), et le faisceau lumineux annulaire fournit un apport de chaleur plus important, élargit le trou de serrure, réduit l'impact de la vapeur métallique et du plasma sur le métal liquide au bord du trou de serrure, réduit les projections de métal résultantes et augmente le temps de cycle thermique de la soudure, aidant le gaz du bain de fusion à s'échapper plus longtemps, améliorant ainsi la stabilité des processus de soudage à grande vitesse (similaire à la sortie des lasers à semi-conducteurs dans les solutions de soudage hybrides).
Lors du test, nous avons soudé des batteries à coque mince et constaté que la constance de la taille de la soudure était bonne et que la capacité du processus CPK était bonne, comme le montre la figure 18.
Aspect de la soudure du couvercle supérieur de la batterie avec une épaisseur de paroi de 0,8 mm (vitesse de soudage 300 mm/s)
Côté matériel, contrairement à la solution de soudage hybride, cette solution est simple et ne nécessite ni deux lasers ni tête de soudage hybride spécifique. Elle requiert uniquement une tête de soudage laser haute puissance standard (puisqu'une seule fibre optique émet un laser à longueur d'onde unique, la structure de la lentille est simple, aucun réglage n'est nécessaire et les pertes de puissance sont faibles), ce qui facilite la mise au point et la maintenance, et améliore considérablement la stabilité de l'équipement.
Outre la simplicité du système matériel et sa capacité à répondre aux exigences de soudage à grande vitesse du couvercle supérieur de la cellule de la batterie, cette solution présente d'autres avantages dans les applications de process.
Lors du test, nous avons soudé le couvercle supérieur de la batterie à une vitesse élevée de 300 mm/s, tout en obtenant une excellente qualité de soudure. De plus, pour des coques d'épaisseurs différentes (0,4, 0,6 et 0,8 mm), un simple ajustement du mode de sortie du laser a permis d'obtenir une soudure de qualité. En revanche, les solutions de soudage hybrides laser à double longueur d'onde nécessitent une modification de la configuration optique de la tête de soudage ou du laser, ce qui engendre des coûts d'équipement et un temps de mise au point plus importants.
Par conséquent, le point annulairesoudage laserCette solution permet non seulement d'atteindre une vitesse de soudage ultra-rapide du couvercle supérieur (300 mm/s) et d'améliorer la productivité des batteries, mais aussi, pour les fabricants de batteries qui doivent fréquemment modifier leurs modèles, d'améliorer considérablement la qualité des équipements et des produits, tout en réduisant les délais de modification et de mise au point.
Aspect de la soudure du couvercle supérieur de la batterie avec une épaisseur de paroi de 0,4 mm (vitesse de soudage 300 mm/s)
Aspect de la soudure du couvercle supérieur de la batterie avec une épaisseur de paroi de 0,6 mm (vitesse de soudage 300 mm/s)
Soudage laser Corona par pénétration pour le soudage de cellules à parois minces – Capacités du procédé
En plus du laser Corona mentionné ci-dessus, les lasers AMB et ARM ont des caractéristiques de sortie optique similaires et peuvent être utilisés pour résoudre des problèmes tels que l'amélioration des projections de soudure laser, l'amélioration de la qualité de surface de la soudure et l'amélioration de la stabilité de soudage à grande vitesse.
4. Résumé
Les différentes solutions mentionnées ci-dessus sont toutes utilisées en production par les fabricants de batteries au lithium, tant nationaux qu'internationaux. Compte tenu des différences de temps de production et de contexte technique, diverses solutions de procédés sont largement employées dans le secteur, mais les entreprises exigent toujours plus d'efficacité et de qualité. Le secteur est en constante évolution et de nouvelles technologies seront bientôt mises en œuvre par les entreprises les plus innovantes.
L'industrie chinoise des batteries pour énergies nouvelles a démarré relativement tard et s'est développée rapidement sous l'impulsion des politiques nationales. Les technologies associées ont continué de progresser grâce aux efforts conjoints de l'ensemble de la chaîne de valeur, réduisant considérablement l'écart avec les entreprises internationales de premier plan. En tant que fabricant chinois d'équipements pour batteries au lithium, Maven explore constamment ses atouts, contribuant à l'amélioration continue des équipements de production de batteries et proposant des solutions optimisées pour la fabrication automatisée de modules de batteries pour le stockage d'énergies nouvelles.
Date de publication : 19 septembre 2023
