你知道電池生產過程中的使用到哪些雷射應用嗎?

2023-06-20

你知道電池生產過程中的使用到哪些雷射應用嗎?

近年來電動車與相關產業逐漸受到重視，也逐漸成為汽車產業的發展方向，這歸因於關鍵的鋰離子電池技術突破。鋰離子電池的製造在手機行業早已成熟，然而電池製造商必須調整製程以趕上日益增加的電動汽車產能，同時確保電池的品質和穩定。雷射加工成為此處的關鍵技術，雷射切割、銲接與打標已經進入電池業的生產線服役。
下圖是電池製造的流程圖。做為原料的鋁箔或銅箔經過鍍膜並壓縮成為電極箔片原料，再經過裁切成電極形狀，銅箔和鋁箔分別成為陽極和陰極。接下來將電極片銲接連結，這裡需要將薄金屬片以搭接(Lap)銲接接合，包含銅與銅、鋁和鋁，甚至銅和鋁銲接，這是一項挑戰。接著將電極薄片包入外殼，成為電池單元(Cell)，這裡要將外殼密封，最後注入電解液。由於殼內已經有電極片零件，外殼的銲接不能有太大的熱量避免內部損壞。最後一步是將數個單元組合成電池模組(Module)，甚至數個模組結合，這裡需要將單元或模組的電極用銲接串接成導電通路。

▲ 鋰離子電池的製造流程。圖片來源：https://ieeexplore.ieee.org/

【電極箔片切割】
箔片切割成電極，要求切口邊緣不能有顆粒或毛邊，表面的膜層不能有刮損或裂紋，因此切割箔片是非常精細的步驟；另外，為了保持生產效率，某些單位甚至要求切割速度超過50 m/min。要實現這種嚴格且精密的加工，機械切割會有刀具磨損和加工變形的問題，雷射切割是最佳選擇。非接觸式的雷射切割可做到最少切屑損耗、最少變形(包含機械扭曲和熱變形)以及最平滑切口，可以實現靈活加工和高生產率。

▲ 三種切割法的切口比較。圖片來源：moldmakingtechnology.com

【電極的銲接】
電極材料是銅箔和鋁箔，要將電極永久接合必須以搭接型式銲接，這代表必須做銅-銅、鋁-鋁或者銅-鋁的搭接銲。搭接銲是將上下兩片材料接合，不能在界面有氣孔或裂紋，對於電極而言還要注意接合處的電阻不能太高，否則會增加電能損耗；同時，鋁是不容易銲接的材料，除了活性大易氧化問題，鋁和銅銲接還有脆性化合物生成，容易使接合處裂開，可見電極的搭接銲接是另一項嚴格考驗。
雷射銲接是電極片搭接銲的最佳解決方案：以振鏡式光纖雷射銲接能夠以每秒鐘數百甚至數千mm的銲接速度，快速準確接合電極箔片；脈衝式雷射可以大幅降低銲接熱量，改善電極片變形問題，同時縮短鋁和銅的熔化時間，減少接合點的脆性物質生成，確保銲接處有足夠的機械強度以及降低電阻。此外，銲接路徑還能選擇線性路徑或搖擺路徑增加銲接寬度。要解決電極箔片的銲接困難，雷射銲接是最佳的選擇。

▲ 鋁-銅片以雷射搭接銲的外觀和銲道截面。圖片來源：正鉑雷射

【電池外殼銲接】
電池單元的外殼必須密封，對銲道品質有嚴格要求，此外，由於殼中已裝入電極等部件，銲接外殼的熱輸入要非常低避免內部損傷。因此，可以快速銲接、又具有小的熔化範圍的雷射銲接製程是這個步驟的理想工具，雷射銲道表面平滑，寬度細小又能有足夠的接合強度，由於雷射光的功率穩定，整個銲道的深度可以很均勻，而且適當的功率不會有貫穿的現象，可以避免殼內組件受損。若搭配振鏡式銲接，可以數秒鐘內快速銲接多個物件而不用移動軸向，加快製作速度。

【電池模塊的串接組裝】
電池生產的最後一步是將電池單元組裝成模塊，或者進一步將模塊串接成電池組，這裡需要用匯流條(Busbar)將各個電極連結，正好是振鏡式雷射銲接發揮所長之處。振鏡式雷射銲接大幅減少銅製匯流排銲接噴濺的機會，可得到接合良好無氣孔的銲點，振鏡控制系統還能設定銲道圖形，以圓形或曲線接合。

▲ 雷射銲接匯流排，可做不同形狀的銲道。圖片來源：M. F. R. Zwicker, Journal of Advanced Joining Processes

【生產履歷雷射打標標示】
如同許多製造產品要標示生產履歷，用來追蹤該批或個別產品。雷射打標是最適合做生產履歷標示的技術，打標結果不容易被塗改，又能永久保留，而且雷射打標設備可以獨立運作，或者和生產線串聯。

▲ 雷射打標適合電池生產履歷標示。圖片來源：正鉑雷射

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