La unión de celdas individuales a módulos o juegos de baterías se realiza mediante la soldadura de barras colectoras. La barra colectora es el conductor eléctrico. Las celdas prismáticas o los módulos de celda se pueden unir con materiales del mismo tipo (Al/Al o Cu/Cu), aunque también con uniones combinadas (p. ej. Al/Cu). Es importante que las uniones sean resistentes desde el punto de vista mecánico, porque, en el vehículo, están sometidas a vibraciones y calor. Además, se debe asegurar una unión eléctrica duradera con la mínima resistencia. Durante el proceso de soldadura se debe formar la cantidad mínima de gotas de metal líquido. Asimismo, desempeñan un papel importante características como la reproductividad, un mínimo aporte de energía calorífica y una profundidad de soldadura definida.
El reto: una fabricación rentable, y fiable en cuanto a los procesos, de baterías de iones de litio de alto rendimiento para la electromovilidad
Actualmente, en la construcción de coches eléctricos, se utilizan casi exclusivamente baterías de iones de litio basadas en electrolitos. Las composiciones alternativas, como las baterías de material sólido u otros componentes químicos, todavía no han alcanzado la madurez industrial necesaria.
La producción de baterías de iones de litio es un proceso muy complejo y sensible que implica unos costes de material y energía muy elevados. Por eso, el proceso de fabricación debe realizarse de forma muy eficiente con grandes cantidades de piezas y la mínima cantidad de desechos. El objetivo principal del sector de las baterías es conseguir una elevada densidad energética gravimétrica (Wh/kg) y una elevada autonomía, lo cual se refleja directamente en la autonomía de los coches eléctricos. Además, es necesario desarrollar y construir celdas de batería que cumplan los altos requisitos de la industria automovilística en relación con la seguridad, el rendimiento y la vida útil. El láser como útil ofrece ventajas inigualables en cuanto a fiabilidad en los procesos, precisión y rendimiento.
Distintos tipos de celda, las mismas aplicaciones
En la electromovilidad, se utilizan tres tipos o formatos de baterías de iones de litio. El principio de funcionamiento de todos los tipos es básicamente el mismo. Las diferencias principales residen en el diseño, los requisitos y los materiales utilizados.
¿Dónde se utiliza el láser en la fabricación de celdas de batería?
Aplicaciones clave seleccionadas dentro de la cadena de procesos en el ejemplo de la celda prismática
En el corte de láminas de batería hay dos áreas de aplicación. Por un lado, el "slitting"; el corte longitudinal continuado o la división de la bobina madre ("mother coil") (lámina de electrodos recubierta por uno o los dos lados). Esta se corta en múltiples subbobinas (piezas). En este caso, el láser se encuentra en una posición fija; la lámina se desplaza de forma continuada por el haz láser de rollo a rollo.
La segunda área de aplicación es el corte de contorno de la lámina de electrodos recubierta. En este caso, se cortan de la bobina electrodos (ánodos/cátodos) en la forma y cantidad necesarias. En combinación con un sistema óptico de enfoque y ejes en movimiento u otros láseres para la ampliación del campo de enfoque el láser corta la lámina de electrodos con la forma deseada. En el corte de contorno, la velocidad es superior a 1m/s. El grosor de la lámina (lámina y recubrimiento por ambos lados con material activo) oscila entre 100 y 250 µm. En ambas aplicaciones, los láseres de TRUMPF cumplen los exigentes requisitos de los fabricantes de baterías en cuanto a velocidad de corte, zona de influencia térmica, formación de rebabas y formación de partículas y gotas de metal líquido.
Tras el proceso de aplicación de capas, el material activo de las láminas de los electrodos debe secarse. Los sistemas industriales de calentamiento VCSEL pueden hacerse cargo de este paso, ya que las fuentes de rayo láser basadas en matrices VCSEL son capaces de calentar grandes áreas muy rápidamente y de forma definida con radiación infrarroja selectiva de longitud de onda dirigida. Al reducir la distancia de secado, la vista en planta de los hornos de secado se reduce considerablemente, y la solución también aumenta la velocidad del proceso y ahorra costes y energía.
Las láminas de electrodos son láminas muy finas de cobre y aluminio (grosor de 6-14 µm) que actúan de láminas conductoras para el material activo como ánodo y cátodo. Las láminas se unen mediante soldadura formando pilas o rollos en las correspondientes superficies de contacto (30-60 capas) para formar un ánodo y un cátodo respectivamente. }Con nuestros láseres está garantizado un acceso por un lado a la pieza. De este modo, se sueldan pilas de más de 60 láminas de forma fiable y con la mínima formación de gotas de metal líquido.
Los láseres de TRUMPF sellan la carcasa de la batería (can) prismática y equipada con el paquete de electrodos, que suele estar compuesta por una carcasa de batería de forma navicular en tres dimensiones (espesor de 0,6- 0,8 mm), con la tapa de la carcasa (cap) de 1,0-1,8 mm de grosor de forma que sea impermeable a los líquidos; sin poros, fisuras ni abombamientos indeseados del cordón. El proceso de soldadura con una óptica fija con ejes y con una velocidad de soldadura de 10-12 m/min es innovador. La tecnología de TRUMPF BrightLineWeld proporciona una soldadura sin formación de gotas de metal líquido y con máxima estabilidad del proceso. En combinación con un sistema óptico de enfoque PFO y una unidad de sensores, también es posible una solución muy dinámica con velocidades de soldadura de más de 25 m/min.
Los módulos de batería están compuestos por múltiples celdas de batería interconectadas con una unidad de potencia en una carcasa de módulo. La carcasa del módulo realiza otra función según el formato de celda utilizado. Por lo general, se utilizan las aleaciones de aluminio y, en parte, también aceros inoxidables, que se caracterizan por una resistencia a la tracción de media a alta. Nuestros láseres Highpower IR los sueldan sin fisuras y están exentos de deformación aportando el máximo grado de resistencia.
En las celdas o módulos de batería, existe una gran cantidad de aplicaciones para la limpieza y estructuración con láser. Todo empieza al nivel de los electrodos, en el que se retira parcialmente o se estructura el material activo y se finaliza en la carcasa de la celda o del módulo de baterías, donde se raspan las superficies para una mejor adherencia o se retira la pintura aislante, las manchas de ácido y las capas de óxido. Aquí es donde se utiliza nuestra gama completa de servicios de láser de pulsos ultracortos y cortos.
Los láseres de marcado de TRUMPF marcan las delicadas celdas de batería y su carcasa de forma precisa y totalmente sin contacto. Así, por ejemplo, con el marcado en negro (Black Marking), se pueden marcar todos los componentes con un contraste muy alto y buena legibilidad manteniendo una resistencia máxima a la corrosión. Esta durabilidad también es un requisito previo para la trazabilidad y la documentación de los componentes que se exigen por ley.
- Soldadura de soft connectors
- Soldadura de seal pins
- Soldadura de burst plates
- Soldadura de terminales
- Soldadura de celdas planas (pouch)
- Pre-Welding (punteado) de CanCaps
- Soldadura de sensores de estado de carga
- Soldadura de uniones de Cu-Al
E-Mobility Consulting: juntos abordamos la E-Mobility
¿Desea saber cómo le podemos ayudar a dirigir su fabricación hacia la electromovilidad de forma óptima? Benefíciese de nuestros amplios conocimientos como proveedor tecnológico para OEM, TIER, fabricantes de baterías e integradores. Además, participamos en numerosas iniciativas de investigación públicas y privadas con las que desarrollamos conjuntamente nuevas soluciones tecnológicas para la fabricación de baterías.
TRUMPF como su socio
Ya sea láser con longitud de onda verde para la soldadura de materiales de cobre, el conformado de haces (BrightLine Weld) para una soldadura sin poros ni gotas de metal líquido de aluminio y cobre o unidades de sensores especiales para el aseguramiento de la calidad y la vigilancia del proceso: TRUMPF ofrece numerosas e innovadoras soluciones de producción para la fabricación de celdas de batería. Así se beneficia de nuestros paquetes tecnológicos con un gran selección de fuentes de rayo, ópticas, unidades de sensores y conocimientos sobre aplicaciones.
La tecnología BrighLine Weld de TRUMPF es la clave para la soldadura por láser sin gotas de metal líquido de barras colectoras, soft connectors, can-caps o carcasas de módulo con láseres Highpower IR. Asimismo, nuestros láseres TruDisk con longitud de onda verde son adecuados para materiales altamente reflectantes como, por ejemplo, el cobre; con una potencia media de hasta 2 kW o por pulsos de hasta 400 W. De este modo, se pueden alcanzar profundidades de soldadura definidas y constantes, y proporcionar procesos reproducibles. En la soldadura por conducción térmica, se beneficiará además de un aporte de energía calorífica mínimo a la pieza. Nuestra tecnología de unidad de sensores VisionLine OCT ha sido especialmente desarrollada para una producción automatizada y altamente productiva. Así, siempre podrá confiar en una completa documentación y trazabilidad.
El diseño de nuestro láser TruDisk permite descargar de forma óptima el láser en el modo de funcionamiento timesharing y el modo redundante gracias a las múltiples salidas de láser por cada láser. Adicionalmente, se beneficia de nuestra regulación de la potencia del láser, que siempre es homogénea en la pieza.
Nos consideramos su asesor de aplicación y facilitador de nuevas posibilidades de fabricación. Así, usted se beneficia de nuestros conocimientos fundamentados del sector y de nuestra experiencia fruto de décadas de trabajo como pioneros en el sector del láser.
Benefíciese del asesoramiento de nuestros expertos y de nuestra red mundial de servicios. Tanto si necesita servicios como si necesita el desarrollo de aplicaciones, puede contar con nosotros, esté donde esté. Así, nuestros expertos de servicio y algoritmos supervisan sus láseres para el mantenimiento predictivo, especialmente para grandes líneas de producción sensibles.
El Laser Application Center de TRUMPF en Ditzingen
Muchos casos, una visita provechosa
Con más de 4.000 m², el Laser Application Center de TRUMPF en Ditzingen es uno de los centros de aplicación láser más grandes de todo el mundo. Nuestros especialistas en aplicaciones y expertos en el sector le ayudarán en el desarrollo y la optimización de la aplicación de su componente concreto, con nuestra amplia gama de sistemas versátiles de mecanizado por láser.
