超聲波金屬焊接層疊式鋰電池金屬極片

2021-11-23 19:10

隨著資源與環境雙重壓力的持續增大，發展新能源汽車已成為未來汽車工業發展的方向之一。新能源汽車在不使用汽油和柴油的情況下，采用鋰離子動力電池已成為首選動力源。到2014年，車用鋰離子電池市場的規模將越升至240億美元。目前美國能源部以及美國通用、美國福特、德國奔馳等歐美各大汽車製造商都致力於開發采用鋰離子動力電池的電動汽車。我國在鋰離子動力電池研發上也投入了大量財力物力，國家863計劃專門設立電動汽車重大專項，用以資助動力鋰離子電池關鍵材料及其製造工藝的研發和應用。因此，開展鋰電池相關技術研究已成為當前關注的熱點問題。

鋰電池製造主要包括製漿、塗布、焊接、裝配、化成五個工序，其中焊接技術是鋰電池製造工藝中的關鍵一環。鋰電池製造過程中，極片與極片以及電池封裝都需要使用焊接工藝，任何焊接接頭缺陷都將影響鋰電池的容量及功率（圖1-1）。因此，如何保證極片的連接接頭質量是目前鋰電池製造中需要解決的重點問題之一。

圖 1-1 鋰離子(a)電池單體、(b)電池模塊、(c)電池組

為了滿足鋰電池的容量及功率要求，多個鋰電池單體通過串聯、並聯構成電池模塊，而多個電池模塊裝配在一起構成電池組。鋰電池單體包括正極、負極、隔膜及包裝，正極集流體（10um左右鋁箔）塗覆有正極材料，負極集流體（10um左右銅箔）塗覆有負極材料，一個電池單體包含有20-60層正極集流體和負極集流體，電池單體製造過程中，需要將所有正極集流體與一個正極極耳（0.2mm鋁片）連接，將所有負極集流體與一個負極極耳（0.2mm銅片）連接。

電池模塊製造過程中，電池單體並聯時，需要將不同電池單體的正極極耳與正極極耳連接，也需要將負極極耳與負極極耳連接。在將不同電池單體串聯的過程中，需要將不同電池單體的正極極耳與負極極耳連接。最終，將電池模塊組裝成電池組的過程中，需要將極耳與母線連接。

焊接技術作為鋰電池製造工藝中的關鍵一環，任何極片連接接頭缺陷都可能造成鋰離子電池內阻增大、容量減小、電壓降低，將影響鋰離子電池的一致性。因此，遴選鋁/銅等異質多層超薄金屬極片的連接工藝方法並保證接頭質量一直是鋰電池製造工藝需要亟待解決的關鍵問題。

超聲波金屬焊接是在焊接壓力作用下使被焊工件與工件界麵之間產生高頻機械振動，工件界麵的相對運動產生剪切力引起摩擦產熱及塑性變形，從而形成固相連接。工件溫度升高使工件材料屈服強度降低，有利於工件表麵氧化膜破碎及發生塑性變形，對接頭形成有重要作用。

超聲波金屬焊接作為一種優質、高效、低耗、清潔的固相連接技術，適用於鋁/銅等高導電、導熱材料的連接，已得到國內外汽車製造商和鋰電池製造企業的關注，是目前極片連接的主要工藝方法。

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