Nella costruzione delle auto elettriche oggi vengono impiegate quasi esclusivamente batterie agli ioni di litio a base elettrolitica. Composizioni alternative come accumulatori allo stato solido o altri componenti chimici non sono ancora arrivate a uno stadio di sviluppo che ne consente l'utilizzo industriale.
Il processo di produzione delle batterie agli ioni di litio è molto dispendioso e complesso e comporta costi molti alti per il materiale e l'energia. Per questo motivo deve essere molto efficiente e in grado di lavorare un alto numero di pezzi con il minor numero di scarti possibile. L'obiettivo primario del settore delle batterie è ottenere un'elevata densità energetica gravimetrica (Wh/kg) e quindi un buon chilometraggio (autonomia), fattori che si riflettono direttamente nell'autonomia delle auto elettriche. Occorre inoltre sviluppare e costruire celle di batterie conformi agli alti requisiti dell'industria automobilistica in merito a sicurezza, prestazioni e durata. L'utensile laser offre dunque vantaggi ineguagliabili per quel che riguarda sicurezza di processo, precisione e capacità.
Nel settore dell'elettromobilità si utilizzano tre tipi o formati di batterie agli ionio di litio. Il principio di funzionamento di tutti i tipi è essenzialmente lo stesso. Le differenze principali si individuano nella forma costruttiva, nei requisiti e nei materiali utilizzati.
La giunzione di celle singole in moduli o pack si effettua con la cosiddetta saldatura di bus bar. Per bus bar si intende in questo caso una sbarra collettrice di corrente. Le celle prismatiche o i moduli delle celle possono essere legate/i a materiali dello stesso tipo (Al/Al oppure Cu/Cu), ma si possono creare anche leghe miste (ad es. Al/Cu). In questo è importante che le leghe siano solide dal punto di vista meccanico, poiché nel veicolo sono sottoposte a vibrazioni e calore estremo. Allo stesso tempo è necessario garantire un legame elettrico duraturo con minima resistenza. Durante il processo di saldatura deve essere generata la minor quantità possibile di spruzzi. Hanno un ruolo importante anche la riproducibilità, un apporto di calore minimo e una determinata profondità di saldatura.
Il taglio delle lamine per batteria copre due campi di applicazione. Da un lato lo "slitting"; il taglio longitudinale continuo o la separazione del mother coil (lamina elettrodo con rivestimento monolaterale o bilaterale). Questo viene tagliato in più sub coil (parti). In questa operazione il laser rimane in uan posizione fissa, mentre la lamina scorre continuamente attraversando il raggio laser da coil a coil.
Il secondo campo di applicazione è il taglio dei contorni della lamina elettrodo rivestita. Qui dal coil vengono tagliati gli elettrodi (anodi/catodi) nella forma e nel numero necessari. In combinazione con un'ottica a scanner e gli assi in movimento o con altri laser per l'ingrandimento del campo di scansione, il laser taglia la lamina elettrodo nella forma desiderata. La velocità nel taglio dei contorni è superiore a 1 m/s. Lo spessore della lamina (lamina e rivestimento bilaterale con materiale attivo) varia tra 100 e 250 µm. In entrambe le applicazioni, i laser TRUMPF soddisfano gli elevati requisiti dei produttori di batterie in merito a velocità di taglio, zona d'influenza termica, formazione di bava e formazione di particelle o spruzzi.
Terminato il processo additivo, occorre asciugare il materiale attivo sulle lamine per elettrodi. Questo compito può essere svolto dai sistemi di riscaldamento industriali VCSEL; le sorgenti laser basate su array VCSEL sono infatti in grado di riscaldare velocemente e con buona definizione ampie superfici con irradiazione mirata di raggi infrarossi con lunghezza d'onda selettiva. Grazie alla riduzione del percorso di asciugatura, si riduce considerevolmente la footprint del forno di essiccazione; questa soluzione aumenta inoltre la velocità di processo e fa risparmiare sui costi e sull'energia.
Le lamine elettrodo sono sottilissime lamine di rame o allumino (spessore 6-14 µm), che rappresentano il supporto per il materiale attivo, cioè anodo e catodo. Le lamine vengono saldate insieme in pile o bobine sulle superfici di contatto (30-60 strati) del rispettivo anodo e catodo. I nostri laser garantiscono l'accesso da un solo lato al pezzo in lavorazione. Si possono così saldare con affidabilità e minima formazione di spruzzi pile di oltre 60 lamine.
I laser TRUMPF chiudono ermeticamente l'alloggiamento della batteria (can) prismatico corredato del pacchetto di elettrodi, che di regola è un alloggiamento imbutito (pareti di spessore 0,6 - 0,8 mm), con il coperchio (cap) (spessore 1,0 - 1,8 mm), senza pori, fessure o inarcamenti indesiderati nel giunto. Si tratta di un processo di saldatura avveniristico, con un'ottica fissa guidata su assi a velocità di 10-12 m/min. La tecnologia TRUMPF BrightLineWeld assicura una saldatura senza spruzzi e la massima stabilità del processo. Insieme a un'ottica a scanner PFO e un sistema a sensori è possibile realizzare anche una soluzione molto dinamica con velocità di saldatura superiori a 25 m/min.
I moduli di una batteria sono formati da più celle collegate che formano un'unità di potenza all'interno di un alloggiamento modulare. L'alloggiamento modulare adempie una funzione leggermente diversa, a seconda del formato delle celle utilizzato. In genere per queste costruzioni vengono utilizzate leghe di alluminio e in parte anche acciai inox, che hanno una resistenza medio-alta alla trazione. I nostri laser IR Highpower eseguono queste saldature senza fessurazioni e distorsioni con la massima resistenza.
Esistono svariate applicazioni per la pulizia e la strutturazione con il laser di celle o moduli per batterie. Si inizia a livello dell'elettrodo dove il materiale attivo viene parzialmente asportato o strutturato, per terminare con l'alloggiamento delle celle o moduli delle batterie, dove le superfici vengono raschiate per garantire una migliore aderenza, o dove si devono rimuovere la vernice isolante, le macchie di acido e gli strati di ossido. È qui che trova impiego il nostro completo portafoglio di potenti laser a impulsi corti e ultracorti.
I laser di marcatura TRUMPF marcano le celle sensibili delle batterie e il loro alloggiamento con precisione e senza nessun contatto. Così con il black marking, ad esempio, si possono munire di diciture tutti i componenti; le marcature risultano ben contrastate e leggibili ed è garantita la massima resistenza alla corrosione. Questa lunga durata è anche il presupposto per la tracciabilità e la documentazione dei componenti richieste per legge.
Desiderate sapere come possiamo supportare al meglio la vostra produzione nel cammino verso l'elettromobilità? Sfruttate il nostro vastissimo know-how di fornitore di tecnologie per OEM, TIER, produttori di celle e integratori. Siamo inoltre partner di numerose iniziative di ricerca pubbliche e private, insieme alle quali sviluppiamo nuove soluzioni tecnologiche per la produzione di batterie.
Che si tratti di laser con lunghezza d'onda verde per la saldatura di materiali a base di rame, formazione del fascio (BrightLine Weld) per la saldatura senza spruzzi e pori di alluminio e rame o speciali sistemi a sensori per il controllo della qualità e del processo, TRUMPF offre innumerevoli soluzioni innovative per la produzione di celle per batterie. Così voi beneficiate dei nostri pacchetti tecnologici con un'ampia scelta di sorgenti del fascio, sistemi ottici, sistemi a sensori e know-how per le applicazioni.
La tecnologia TRUMPF BrightLineWeld è la chiave per una saldatura senza spruzzi di bus bar, soft connector, can-cap o alloggiamenti di moduli con laser IR Highpower. I nostri laser TruDisk con lunghezza d'onda verde sono ideali anche per materiali molto riflettenti, come ad esempio il rame: potenza media fino a 2 kW in onda continua o pulsata fino a 400 W. Si possono così realizzare profondità di saldatura definite e costanti e si assicura la riproducibilità dei processi. Nella saldatura a conduzione termica si ha inoltre il vantaggio di un minimo apporto di calore nel pezzo. I nostri sistemi a sensori (VisionLine OCT e monitoraggio della profondità di saldatura) sono stati sviluppati specificamente per la produzione automatizzata e di alta produttività. Si può fare sempre affidamento su una documentazione completa e una tracciabilità totale.
Il design dei nostri laser TruDisk con più uscite per cavi in fibra ottica permette di ottenere uno sfruttamento del laser ottimale sia in time sharing sia in ridondanza. Con la nostra regolazione della potenza laser beneficiate inoltre di una potenza laser costante e uniforme sul pezzo in lavorazione.
Noi siamo il vostro consulente per le applicazioni e vi consentiamo di attivare nuove possibilità di lavorazione. Così voi potrete beneficiare delle nostre approfondite conoscenze e della nostra decennale esperienza pionieristica nel campo del laser.
Approfittate della consulenza dei nostri esperti e della nostra rete mondiale di centri di assistenza. Noi siamo vicini a voi, per qualunque vostra necessità di assistenza o sviluppo di applicazioni. Con il Condition Monitoring, ad esempio, gli esperti dell'assistenza TRUMPF e gli algoritmi dedicati monitorano i laser in funzione della manutenzione preventiva, specialmente per linee di produzioni sensibili e di grandi dimensioni.
Con una superficie di oltre 4.000 m², il Laser Application Center di TRUMPF a Ditzingen è uno dei centri per le applicazioni laser più grandi del mondo. I nostri ingegneri applicativi e i nostri esperti del settore vi supportano nello sviluppo e nell'ottimizzazione delle applicazioni facendo riferimento al vostro componente concreto, grazie al nostro ricco portafoglio di molteplici sistemi per la lavorazione laser.
