鋰離子電池系統(tǒng)連接技術(shù)的工藝研究

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摘要:文章概述了幾種常見連接技術(shù)在鋰離子電池系統(tǒng)中的應(yīng)用，簡述了這幾種連接技術(shù)的工藝過程和特點，并主要介紹了各種連接技術(shù)的工藝參數(shù)，以及最新研究成果，為鋰離子電池系統(tǒng)的連接技術(shù)生產(chǎn)過程控制和后續(xù)發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞:鋰離子電池;連接技術(shù);焊接;機械連接;工藝參數(shù)

近年來，隨著政府倡導(dǎo)保護環(huán)境和減少石化能源依賴的政策推行，以及人們對環(huán)境問題的日益關(guān)注，電動汽車由于低碳、環(huán)保、節(jié)能等特點，在汽車市場的占有率呈現(xiàn)出指數(shù)級增長。由于鋰離子電池系統(tǒng)高能量比、高功率比、長循環(huán)壽命、安全可靠的優(yōu)勢，目前，鋰離子電池已逐漸成為了電動汽車最重要的動力源［1，2］。由于鋰離子電池技術(shù)發(fā)展時間較燃油技術(shù)短，目前技術(shù)尚未成熟，關(guān)于電動汽車鋰離子電池發(fā)生自燃、碰撞起火等安全事故，不斷見諸報端。鋰離子電池系統(tǒng)發(fā)生安全故障，其影響因素有很多，如:充放電過度、短路、碰撞、高溫、連接松脫，等［3］。而這其中，由于連接松脫導(dǎo)致的安全事故較多，而且連接松脫存在不確定性大、診斷困難等難點，因此研究鋰離子電池系統(tǒng)的連接技術(shù)，對于鋰離子電池系統(tǒng)的連接性能提高、工藝優(yōu)化以及生產(chǎn)制造工程的過程管理強化，具有重要意義［4］。鋰離子電池系統(tǒng)中，涉及到連接技術(shù)的工藝過程比較多，從工藝過程來看，主要有三個層級之間的連接:單元電池層級的電極到極片(Electrodes－to－Tab)和箱體密封(CaseSealing)、模組層級的單元電池到單元電池(Cell－to－Cell)、電池包層級的模組到模組(Module－to－Module)，如圖1所示［5］。由于鋰離子電池系統(tǒng)由眾多的單元電池、模組等組成，因此其涉及的連接技術(shù)也非常多。常見的連接技術(shù)有:超聲波焊、電阻點焊、激光焊、脈沖TIG焊、機械連接等［6］。本文結(jié)合以上幾種連接技術(shù)在鋰離子電池系統(tǒng)的應(yīng)用成果，對各種連接技術(shù)加工工藝中的影響因素進行了探究。

1超聲波焊接

超聲波焊接是一種固態(tài)焊接工藝，工件無需熔化，而是利用高頻超聲(通常20kHz以上)的機械振動能量，使工件加緊并摩擦熔合一起。超聲波焊接可以廣泛應(yīng)用于多種形式金屬箔片的連接，既適用于同種材質(zhì)工件之間的焊接，也適用于不同熔點的不同材質(zhì)工件之間的焊接。此外，由于其高效快速，可以在低溫下操作，以及適用于環(huán)保等因素，超聲波焊接還被廣泛應(yīng)用于電池系統(tǒng)的連接。限制超聲波焊接在鋰離子電子系統(tǒng)的應(yīng)用，主要是由于焊接厚度低(＜3mm)，以及無法實現(xiàn)對高強度材料工件的焊接［7］。影響超聲波焊接質(zhì)量的工藝參數(shù)，與超聲波焊接在其它領(lǐng)域的應(yīng)用類似，主要有焊接壓力、焊接振幅、焊接時間［8］。焊接工藝參數(shù)對鋰離子電池系統(tǒng)的焊接性能影響較大，主要體現(xiàn)在焊接質(zhì)量、機械性能、電性能、熱性能等。Das等［9］研究了焊接工藝參數(shù)對焊接機械性能的影響，將0．3mm的銅極片超聲波焊接至1mm銅極耳制備樣件，通過T剝離強度試驗(圖2)，來研究工藝參數(shù)的變化對機械性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，焊接壓力在0．5bar～4．0bar變化，當焊接壓力為1．5bar時，達到最大剝離強度。焊接振幅為30μm～50μm，隨著焊接振幅逐漸增大，剝離強度變化不大，當焊接振幅增大到45μm之后，剝離強度迅速增大。當焊接時間為0.15s～0．55s時，剝離強度隨著焊接時間的延長逐漸增大。綜上所述，最終優(yōu)化出0．3mm的銅極片焊接至1mm銅極耳的超聲波焊接工藝參數(shù)為:焊接壓力1.5bar、焊接振幅50μm、焊接時間0．55s。Lee等［10］分別用0．4mm和1．0mm的銅片，通過超聲波焊接，研究了工藝參數(shù)對焊接性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，焊接時間在0．2s～1．0s變化，焊接剛開始時，維氏硬度相對于原材料有了40%的提升，但是隨著焊接時間進一步延長，硬度迅速降低，甚至低于原材料的硬度。這是由于焊接剛開始，機械振動相當于對銅片進行了冷加工，提高了銅片的維氏硬度。但是，隨著焊接時間延長，金屬材料超聲波焊接過程中，表現(xiàn)出加工塑化行為，其掃描電鏡結(jié)果如圖3所示。超聲波焊接不同工藝參數(shù)之間相互影響，在實際應(yīng)用過程中，需要綜合調(diào)整進行考慮。同時，受材質(zhì)的影響也比較大，主要原因有兩點，一是由于不同材質(zhì)對應(yīng)敏感的焊接振幅不同;另外，即使相同振幅，不同材質(zhì)的最優(yōu)焊接工藝參數(shù)也不同。如Das等［9］在研究銅片超聲波焊接工藝參數(shù)對T剝離強度的影響時，同時也對相同厚度的鋁材質(zhì)樣品進行了研究，結(jié)果優(yōu)化出的工藝參數(shù)為:焊接壓力1．5bar、焊接振幅50μm、焊接時間0．35s。

2電阻點焊

電阻點焊是在焊接過程中，通過電極加緊工件，并導(dǎo)通電流，然后依賴金屬工件界面的電阻產(chǎn)生局部熱量，使工件進行熔合。由于電阻點焊具有工藝相對成熟、易于控制、成本低、工作效率高等優(yōu)點，因此在傳統(tǒng)汽車制造業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。同樣，電阻點焊在鋰離子電池的連接方面，也有廣泛的應(yīng)用，特別是小尺寸圓柱形電池單元的制造方面，如圖4所示。影響電阻點焊的工藝參數(shù)有電流、壓力、加壓時間等，其中最重要的是峰值電流和峰值電流時間。這是由于電流過低或峰值電流時間過短，工件界面不足以產(chǎn)生局部熔融所需的熱量，從而無法形成連續(xù)的熔合。但是峰值電流和峰值電流時間也不能過大，因為如果工件長時間暴露于峰值電流，可能產(chǎn)生過量的局部熱量，從而使材料產(chǎn)生汽化。因此，為了制造優(yōu)良品質(zhì)的鋰離子電池系統(tǒng)，需要優(yōu)化出合適的電阻點焊工藝參數(shù)。電阻點焊應(yīng)用于鋰離子電池系統(tǒng)的連接，面臨著諸多挑戰(zhàn)。主要有三點:(1)鋰離子電池常用的高導(dǎo)電率材料，不適用于電阻點焊，如用作電極和極片的銅和鋁，由于高導(dǎo)電率難以被實施電阻點焊;(2)電阻點焊是使工件熔融達到焊接的目的，不同材料由于其熔點不同，難以被焊接;(3)難以適用于多層工件的焊接，以及難以產(chǎn)生較大的焊核，一般為0．9mm～2.0mm［11］。但是Das等［12］發(fā)現(xiàn)在對低厚度工件進行電阻時，不同材料的焊接(0．3mm厚度的Cu－to－Al)，相對于同種材料的焊接(0．3mmCu－to－Cu和Al－to－Al)，具有更大的焊核，并表現(xiàn)出更優(yōu)的焊接強度。并且Cu片作為上工件，Al片作為下工件，會有更好的結(jié)果。

3激光焊

激光焊是一種非接觸式的焊接工藝，通常在幾毫秒時間內(nèi)，激光束產(chǎn)生熱量對工件進行加熱，同時將多層金屬連接在一起。一般用于電解液容器、連接件和母線的焊接。作為一種非接觸式焊接工藝，激光焊對于鋰離子電池系統(tǒng)的連接有相應(yīng)的優(yōu)勢。由于激光焊在所有焊接工藝中的熱影響區(qū)最小，且可以運用于多層片材的連接，以至于激光焊被認為是鋰離子電池系統(tǒng)最有效的焊接工藝，激光焊應(yīng)用例如圖5所示。激光焊的工藝影響因素比較多，主要有擺動相關(guān)的擺動頻率和振幅，激光相關(guān)的功率頻率和脈沖時間，以及設(shè)備相關(guān)的移動速率和聚焦范圍。Shaikh等［13］使用150WQuasi－CWIＲ激光器，通過激光焊將銅制極耳焊接至鋼制圓柱電池箱體，研究了相關(guān)工藝參數(shù)對機械性能、電性能和熱性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，激光相關(guān)參數(shù)，功率、頻率和脈沖時間和樣件的剪切強度成正相關(guān)，而脈沖時間呈現(xiàn)出負相關(guān)，因此優(yōu)化出最佳工藝參數(shù)，功率為40%、速率為500mm/min、脈沖時間2ms、頻率50Hz。但是相關(guān)研究工作者也發(fā)現(xiàn)［14］，激光焊對工件裝配位置精度要求高，并且需要焊接材料滿足高反射率、高熱導(dǎo)率等性能，因此又讓激光焊在鋰離子電池連接方面的實施應(yīng)用增加了難度。通過廣大工作者不斷探索，最終總結(jié)出了相應(yīng)的對應(yīng)經(jīng)驗。當焊接極耳到端子時，極耳需要比電池箱體端子的厚度薄，同時加工工藝參數(shù)需要嚴格控制，能提供足夠的焊接能量，又不至于穿透電池箱體。Brand等［15］發(fā)現(xiàn)由于激光焊的熔池很小，間隙公差小，因此在進行極耳焊接時，將極耳加緊在電池上，可以得到較好的結(jié)果。

4脈沖TIG焊

脈沖TIG(TungstenInertGas，鎢極氣體保護焊)焊，又稱微TIG，是運用非熔化鎢電極產(chǎn)生電弧，并在惰性氣體下進行工作的焊接工藝。脈沖TIG焊接工藝，具有操作過程簡單、焊縫美觀、質(zhì)量高等特點，由于脈沖TIG焊的清潔機制，可以清理鋁合金的電阻氧化膜，因此比較適用于鋁質(zhì)鋰離子電池系統(tǒng)箱體的連接［16］。影響脈沖TIG焊接質(zhì)量的工藝參數(shù)較多，有焊接電流、焊接速度、電弧電壓、焊接送絲速度、焊接直徑以及操作因素等［17］。王澤力［18］針對鋁合金的TIG焊，采用單變量法，研究了焊接電流、焊接速度、送絲速度，對熔深、焊接形貌等焊接質(zhì)量的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，熔深與焊接電流呈正相關(guān)，如圖6所示，與焊接速度、送絲速度呈現(xiàn)負相關(guān)，且焊接電流對熔深的影響最大。結(jié)合表面形貌、熔覆層高、熔寬，優(yōu)化出工藝參數(shù)為，焊接電流125A、焊接速度200mm/min、送絲速度1100mm/min。同時，也有研究學(xué)者［19］指出，由于脈沖TIG焊熱量較高，鋁合金材質(zhì)易發(fā)生變形，產(chǎn)生裂紋，不利于鋰離子電池系統(tǒng)箱體的尺寸精度控制，并影響箱體的強度，后期用戶使用過程中可能發(fā)生連接失效。因此，在生產(chǎn)過程中，對于可能產(chǎn)生的缺陷，需要提前識別，并做好相應(yīng)的規(guī)避。

5機械連接

已有的研究資料表明，多種機械方式可以用于鋰離子電池系統(tǒng)的連接，如螺母、螺栓、螺釘或卡扣等，如圖7所示。機械連接具有強度高、易于拆卸維修的優(yōu)勢，而且通常操作過程無需熱量。機械連接工藝，在工業(yè)制造過程中，人們研究的比較多，這里不再贅述。但是，不同機械連接工藝，在選用過程中，也需要注意其特點。Fussel等［20］研究了螺母和螺栓、流動鉆孔螺釘和螺紋成型螺釘?shù)炔煌菟ㄟB接，用于電氣的連接，并測試了其電阻。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些機械連接后的電阻隨著時間推移而增大。而且對于螺栓和螺釘連接，連接電阻的變化，還受到了連接對象的電阻率、幾何形狀以及涂層和工藝參數(shù)變化的影響。

6其他

由于鋰離子電池系統(tǒng)涉及到的工藝程序較多，因此，除了以上介紹的幾種連接技術(shù)之外，目前運用到的連接技術(shù)還有攪拌摩擦焊、引線鍵合、釬焊、粘接等［21－23］。如此眾多的連接技術(shù)，在進行鋰離子電池系統(tǒng)的設(shè)計和制造過程中，為了選擇合適的連接技術(shù)，Das等［24］在不同使用場景下，從連接強度、電阻、耐久、成本等多個角度，利用決策矩陣(Pughmatrix)分析出了各種理想的連接技術(shù)。如，圓柱形電池組成的模組層級的連接和軟包電池組成的模組層級的連接，理想的連接技術(shù)分別為超聲波焊接、激光焊、TIG焊。

7結(jié)語

隨著電動汽車的發(fā)展推動，鋰離子電池系統(tǒng)的連接技術(shù)也得到了長足進步。同時，高質(zhì)量鋰離子電池系統(tǒng)的生產(chǎn)也逐漸成為電池生產(chǎn)制造領(lǐng)域最關(guān)鍵的問題。為了滿足人們對高質(zhì)量鋰離子電池系統(tǒng)的需求，有必要對連接技術(shù)進行更深入的技術(shù)研究。除了可以對連接狀況進行CT檢查、視覺檢查外，還可以引入CAE分析，模擬連接工藝過程，優(yōu)化工藝參數(shù)，減少試驗次數(shù)，提高生產(chǎn)效率和連接性能結(jié)果。相信隨著連接技術(shù)研究的不斷深入，各類連接技術(shù)的工藝要素越來越清晰，生產(chǎn)制造過程控制越來越精細，鋰離子電池系統(tǒng)的質(zhì)量更加具有保障，從而助推電動汽車再上一個新的高度。

作者:張玉坤 張云霞 鄒朝輝 單位:廣汽豐田汽車有限公司