Spojování jednotlivých článků v moduly nebo sady probíhá za pomoci tzv. svařování přípojnic. Jako přípojnice se označuje vodivá kolejnice. Prizmatické články resp. článkové moduly mohou být spojeny s materiály stejného druhu (Al/Al nebo Cu/Cu), ale také se sloučeninami (např. Al/Cu). Přitom je důležité, aby byly spoje mechanicky pevné, protože jsou ve vozidle vystaveny vibracím a působení tepla. Současně je nutné trvale zajistit elektrické spojení s minimálním odporem. Během procesu svařování kromě toho smí dojít ke vzniku co možná nejméně odstřiků. Důležitou roli rovněž hrají opakovatelnost, minimální dodávané teplo a definované hloubky provaření.
Výzva: hospodárná a procesně bezpečná výroba vysoce výkonných lithium-iontových baterií pro elektromobilitu
Při konstrukci elektromobilů se dnes používají téměř výlučně lithium-iontové baterie na bázi elektrolytu. Alternativní složení jako pevné baterie nebo jiné chemické komponenty doposud nedosáhly nezbytné průmyslové zralosti.
Výroba lithium-iontových baterií je velmi nákladný a citlivý proces, který je spojen s velmi vysokými náklady na materiál a energii. Proto musí výrobní proces probíhat velmi efektivně s vysokými počty kusů a minimální zmetkovitostí. Nejvyšším cílem průmyslu baterií je docílení vysoké gravimetrické energetické hustoty (Wh/kg) a tím vysokého dosahu, což se přímo odráží v dosahu elektromobilů. Mimoto je třeba vyvíjet a konstruovat bateriové články, které odpovídají vysokým požadavkům automobilového průmyslu s ohledem na bezpečnost, výkon a životnost. Laser jako nástroj nabízí, pokud jde o procesní bezpečnost, přesnost a výkonnost, bezkonkurenční výhody.
Různé typy článků, stejné aplikace
V elektromobilitě se používají tři typy, resp. formáty lithium-iontových baterií. Princip funkce všech typů je v zásadě stejný. Hlavní rozdíly spočívají v konstrukci, požadavcích a použitých materiálech.
Kde se používá laser při výrobě bateriových článků?
Vybrané klíčové aplikace v rámci procesního řetězce na příkladu prizmatického článku
Svařování přípojnic
Řezání bateriových fólií
Při řezání bateriových fólií existují dvě oblasti použití. Jedná se o „slitting“; průběžné podélné řezání resp. rozdělování mothercoils (jednostranně či oboustranně povrstvené elektrodové fólie). Ta je rozřezána na několik subcoils (dílů). Laser se nachází v pevné poloze, fólie neustále probíhá laserovým paprskem od role k roli.
Druhou oblastí použití je obrysové řezání povrstvené elektrodové fólie. V tomto případě cívka rozřeže elektrody (anody/katody) v potřebném tvaru a počtu. V kombinaci se skenovací optikou a pohyblivými osami nebo dalšími lasery pro zvětšení skenovacího pole laser řeže požadovaným způsobem elektrodovou fólii. Rychlost činí při obrysovém řezání kolem 1m/s. Tloušťka fólie (fólie a oboustranné povlakování aktivním materiálem) se pohybuje mezi 100 a 250 µm. U obou aplikací splňují lasery TRUMPF vysoké požadavky výrobců baterií, pokud jde o rychlost řezání, tepelně ovlivněnou zónu, tvorbu otřepů a částic či odstřiků.
Sušení bateriových fólií
Po procesu nanášení musí aktivní materiál na fóliích elektrod zaschnout. O tento krok se mohou postarat průmyslové topné systémy VCSEL, protože zdroje paprsku založené na VCSEL-Arrays jsou schopny velmi rychle a definovaně zahřívat velké plochy s nasměrovaným infračerveným zářením. Zkrácením dráhy sušení se výrazně zmenšuje půdorys sušicí pece, navíc se díky tomuto řešení zvyšuje rychlost procesu a šetří náklady a energie.
Svařování bateriových fólií
Elektrodové fólie jsou velmi tenké měděné a hliníkové fólie (tloušťka 6–14µm), které slouží jako nosné fólie pro aktivní materiál jako anoda a katoda. Fólie jsou přivařeny jako stoh nebo jako svitek na příslušné kontaktní plochy (30–60 poloh) vždy k jedné anodě a jedné katodě. S našimi lasery je zaručen jednostranný přístup k obrobku. Stoh s více než 60 fóliemi je tak možné svařit spolehlivě a s nejmenší tvorbou odstřiků.
Svařování Can-Cap
Lasery TRUMPF uzavřou prizmatické pouzdro baterie osazené balíčkem elektrod (Can), které zpravidla sestává z hluboce taženého pouzdra baterie (tloušťka stěny 0,6– 0,8 mm), krytem pouzdra (Cap) 1,0–1,8 mm, těsného vůči médiím – bez pórů, trhlin nebo nežádoucích vydutí švu. Nejnovějším procesem svařování je osově vedená pevná optika s rychlostí svařování 10–12m/min. Technologie TRUMPF BrightLineWeld zajišťuje svařování bez odstřiků a maximální procesní stabilitu. Ve spojení se skenovací optikou PFO a senzorikou je možné i vysoce dynamické řešení s rychlostí svařování více než 25 m/min.
Modulhousing
Bateriové moduly sestávají z několika bateriových článků navzájem propojených do výkonné jednotky v pouzdře modulu. Pouzdro modulu plní v závislosti na použitém formátu článku poněkud jinou funkci. Zpravidla se v tomto případě používají slitiny hliníku a částečně i nerezová ocel, která vykazuje střední až vysokou pevnost v tahu. Naše vysoce výkonné infračervené lasery svařují tyto oceli bez trhlin a deformací s maximální pevností.
Čištění a strukturování za pomoci laseru
U bateriových článků resp. modulů existuje velké množství aplikací určených k čištění a strukturování pomocí laseru. Začíná to na úrovni elektrod, na níž je aktivní materiál částečně odstraňován nebo strukturován, a končí u pouzdra článku nebo modulu baterií, kde jsou povrchy pro lepší přilnutí zdrsněny, nebo se ostraňuje izolační lak, kyselé skvrny a oxidační vrstvy. V těchto případech se používá naše kompletní portfolio laserů s krátkým a ultrakrátkým impulzem.
Laserové značení dílů
Značicí lasery TRUMPF popisují citlivé bateriové články a jejich pouzdra přesně a zcela bezdotykově. Tak je například možné metodou Black Marking popsat všechny komponenty s velmi vysokým kontrastem a dobrou čitelností při maximální korozní odolnosti. Tato dlouhá životnost je i předpokladem pro zákonem vyžadovanou zpětnou sledovatelnost a dokumentaci dílů.
Další svařovací aplikace v bateriovém článku
- Svařování měkkého konektoru
- Svařování těsnicího kolíku
- Svařování průtlačné desky (burst plate)
- Svařování terminálu
- Svařování vodivých prvků pouch článků
- Pre-Welding (stehování) CanCaps
- Svařování senzorů stavu nabíjení
- Svařování Cu-Al spojů
E-Mobility Consulting – společný přístup k E-mobility
Chcete vědět, jak můžeme optimálně podpořit vaši výrobu na cestě k elektromobilitě? Profitujte z našeho rozsáhlého know-how jako dodavatele technologií pro OEM, TIER, výrobce článků a integrátory. Kromě toho jsme partnerem mnoha veřejných i soukromých výzkumných iniciativ, s nimiž společně vyvíjíme nová technologická řešení pro výrobu baterií.
TRUMPF jako váš partner
Ať už potřebujete lasery se zelenou vlnovou délkou pro svařování měděných materiálů, tvarování paprsku (BrightLine Weld) pro svařování hliníku a mědi bez odstřiků a pórů nebo speciální senzoriky pro zajišťování jakosti a sledování procesu – společnost TRUMPF nabízí bezpočet inovativních výrobních řešení pro výrobu bateriových článků. Přitom profitujete z našich technologických balíčků s velkým výběrem zdrojů paprsku, optik, senzorik a aplikačního know-how.
Produktové portfolio pro výrobu baterií
Technologie TRUMPF BrighLine Weld je klíčem ke svařování přípojnic, měkkých konektorů, Can-Caps nebo modulhousings laserovým paprskem téměř bez odstřiků za pomoci vysoce výkonných infračervených laserů. Kromě toho jsou naše lasery TruDisk se zelenou vlnovou délkou předurčeny pro vysoce reflexní materiály jako např. měď – s trvalým signálem až do 2 kW nebo pulzní se středním výkonem do 400 W. Lze tak realizovat definované a konstantní hloubky provaření a opakovatelné procesy jsou zajištěny. Při kondukčním svařování profitujete kromě toho z minimálního tepla dodávaného do obrobku. Speciálně pro automatizovanou a vysoce produktivní výrobu byla vyvinuta naše senzorika VisionLine OCT. Tak se můžete vždy spolehnout na úplnou dokumentaci a zpětnou sledovatelnost.
Produktivní a výkonné systémy pro naše zákazníky
Náš TruDisk Laser Design umožňuje s několika výstupy na každý laser optimální vytížení laseru při sdílení času a redundantním provozu. Kromě toho profitujete díky naší regulaci výkonu laseru z dlouhodobě stabilního výkonu laseru na obrobku.
TRUMPF jako garant inovací
Považujeme se za vašeho aplikačního poradce a umožňujeme vám nové výrobní možnosti. Přitom profitujete z našich odborných oborových znalostí a našich dlouholetých zkušeností jakožto průkopníka v oblasti laserové techniky.
Globálně nastaveni, lokálně jednající
Profitujte z poradenství našich expertů a naší celosvětové servisní sítě. Ať už potřebujete servisní nebo aplikační vývoj – jsme tam, kde jste vy. Proto dohlíží servisní experti a algoritmy TRUMPF například u Condition Monitoring na vaše lasery pro předvídavou údržbu speciálně pro citlivé a velké výrobní linky.
Laserové aplikační centrum TRUMPF v Ditzingenu
Mnoho případů, návštěva, která se vyplatí
S více než 4 000 m² je laserové aplikační centrum TRUMPF v Ditzingenu jedním z největších laserových aplikačních center na světě. Naši aplikátoři a oboroví experti vás podpoří při vývoji a optimalizaci aplikace za použití vašeho konkrétního dílu – s naším rozsáhlým portfoliem zahrnujícím rozmanité systémy pro opracování laserem.
Whitepaper: Svařování prizmatických buněk laserem s programovatelnými fokusačními optikami (BEO)
Zjistěte v našem průvodci Whitepaper, jak lze se skenovací optikou PFO ještě rychleji plynotěsně uzavírat baterie pro E-mobilitu.
Whitepaper: Svařování prizmatických buněk laserem s fokusačními optikami (BEO)
Zjistěte v našem průvodci Whitepaper více o bezpečném uzavírání baterií pro elektromobilitu pomocí svařování laserem.
Whitepaper: Svařování přípojnic
Kontakt