Spájanie jednotlivých článkov do modulov alebo sád sa vykonáva pomocou takzvaného zvárania prípojníc. Prípojnicou (busbar) sa pritom označuje zbernica vedúca prúd. Prizmatické články resp. moduly článkov je možné spájať materiálmi rovnakého typu (Al/Al alebo Cu/Cu), ale aj zmiešanými spojmi (nap. Al/Cu). Pritom je dôležité aby boli spoje mechanicky pevné, pretože vo vozidlách sú vystavené vibráciám a vysokým teplotám. Zároveň musí byť trvalo zabezpečené elektrické spojenie s čo najnižším odporom. Počas procesu zvárania by nemali vznikať pokiaľ možno žiadne prskance. Dôležitú úlohu zohrávajú takisto opakovateľnosť, minimálny prívod tepla ako aj definované hĺbky prevarenia.
Výzva: Hospodárna a bezpečná výroba vysoko výkonných batérií Li-Ion pre elektromobily
Pri výrobe elektromobilov sa dnes takmer výlučne používajú batérie Li-Ion na báze elektrolytov. Alternatívne kompozície, ako polovodičové batérie alebo iné chemické komponenty doteraz neboli patrične pripravené pre priemyselnú výrobu.
Výroba batérií Li-Ion je veľmi náročný a citlivý proces, ktorý so sebou prináša veľmi vysoké nároky na materiál a náklady na energiu. Preto sa musí výrobný proces uskutočňovať veľmi efektívne, pri vysokom počte kusov a s čo najmenším odpadom. Najvyššou métou v odvetví výroby batérií je dosiahnuť vysokú gravimetrickú hustotu energie (Wh/kg) a vďaka tomu aj ich vysoký úžitok, čo sa priamo prejaví na dojazde elektromobilov. Okrem toho je dôležité vyvíjať a vyrábať články batérií, ktoré spĺňajú vysoké požiadavky na automobilového priemyslu týkajúce sa bezpečnosti, výkonu a životnosti. Laser ako nástroj pritom ponúka neprekonateľné výhody v oblasti bezpečnosti procesov, presnosti a výkonnosti.
Rôzne typy článkov, rovnaké využitie
V elektromobiloch sa používajú tri typy resp. formáty batérií Li-Ion. Princíp činnosti všetkých typov je v podstate rovnaký. Hlavné rozdiely spočívajú v type konštrukcie, v požiadavkách a v použitých materiáloch.
Kde sa pri výrobe článkov batérií používa laser?
Vybrané kľúčové aplikácie v rámci procesov reťazca procesov na príklade prizmatického článku
Zváranie prípojníc busbar
Rezanie fólií batérií
Pri rezaní fólií batérií máme dve oblasti použitia. Na jednej strane „slitting“; kontinuálne pozdĺžne rezanie resp. delenie základného zvitku (elektródová fólia potiahnutá z jednej alebo z oboch strán). Tieto sa rozrezávajú na niekoľko menších (častí). Laser sa pritom nepohybuje; fólia sa plynulo pohybuje od zvitku k zvitku laserovým lúčom.
Druhou oblasťou použitia je rezanie geometrií potiahnutých elektródových fólií. Pritom sú elektródy (anódy/katódy) odrezávané zo zvitku v požadovanom tvare a počte. V kombinácii s optickým skenerom a pohyblivými osami alebo ďalšími lasermi pre zväčšenie skenovaného poľa reže laser elektródové fólie do požadovaného tvaru. Rýchlosť je pritom pri rezaní geometrií viac ako 1m/s. Hrúbka fólie (fólia a vrstva aktívneho materiálu na oboch stranách) sa pohybuje od 100 do 250 µm. Pri oboch aplikáciách spĺňajú lasery TRUMPF vysoké požiadavky na výrobcov batérií s ohľadom na rýchlosť rezania, teplom ovplyvnenú zónu, tvorbu otrepov ako aj tvorbu častíc alebo prskancov.
Sušenie fólií batérií
Po procese nanášania prášku sa musí aktívny materiál na fóliách elektród vysušiť. Tento krok dokážu zvládnuť priemyselné systémy ohrevu VCSEL, pretože zdroje lúča na báze VCSEL-Arrays sú schopné veľmi rýchlo a definovane zohriať veľké plochy s usmernenými selektívnymi vlnovými dĺžkami infračerveného žiarenia. Zmenšením dráhy sušenia sa výrazne zmenší pôdorysná plocha sušiarní, okrem toho sa vďaka tomuto riešeniu zvýši rýchlosť procesu a šetria náklady a energia.
Zváranie fólií batérií
Elektródové fólie sú veľmi tenké medené alebo hliníkové fólie (hrúbka 6-14µm), ktoré slúžia ako nosné fólie pre aktívny materiál ako anóda a katóda. Fólie sa prizvárajú ako zväzok alebo ako zvitok na príslušných kontaktných plochách (30-60 polôh) k anóde a katóde. Pomocou našich laserov je zaručený prístup k obrobku z jednej strany. Zväzok viac ako 60 fólií je tak možné zvárať spoľahlivo a s minimálnou tvorbou prskancov.
Zváranie telies a krytov batérií
Lasery TRUMPF uzatvárajú prizmatické teleso batérie (Can) osadené sadou elektród, ktoré spravidla tvorí hlbokoťahané teleso batérie (hrúbka steny 0,6 - 0,8mm), krytom telesa (Cap) z materiálu hrubého 1,0 - 1,8mm – a to bez pórov, trhlín alebo neželaných zakrivení zvarov. State-of-the-art je proces zvárania s pevnou optikou vedenou osou s rýchlosťami zvárania 10-12m/min. Technológia TRUMPF BrightLineWeld zabezpečuje zváranie bez prskancov a najvyššiu stabilitu procesov. V spojení s optickým skenerom PFO a senzorikou je možné aj vysoko dynamické riešenie s rýchlosťami zvárania viac ako 25m/min.
Kryt modulu
Moduly batérií sa skladajú z viacerých vzájomne prepojených článkov batérií, ktoré vytvárajú jednu výkonovú jednotku v jednom module. V závislosti od použitého formátu článkov plní teleso modulu zakaždým inú funkciu. Spravidla sa na ne používajú hliníkové zliatiny a niekedy aj nerezové ocele, ktoré majú strednú až vysokú pevnosť v ťahu. Naše vysoko výkonné infračervené lasery ich zvárajú bez trhlín a deformácií s maximálnou pevnosťou.
Čistenie a vytváranie štruktúr povrchu laserom
Pri článkoch resp. moduloch batérií jestvuje množstvo aplikácií na čistenie a vytváranie štruktúr povrchu pomocou lasera. Začína to na úrovni elektród, pri ktorých sa vykonáva čiastočný úber aktívneho materiálu alebo sa mení štruktúra jeho povrchu a končí pri telesách článkov alebo modulov batérií, kde je potrebné zdrsniť povrchy pre lepšiu priľnavosť, alebo sa odstraňuje izolačný lak, škvrny od kyselín a zaoxidované vrstvy. Používa sa na to celé portfólio našich výkonných laser s krátkymi a ultrakrátkymi pulzmi.
Popisovanie obrobkov laserom
Popisovacie lasery TRUMPF presne a úplne bezdotykovo popisujú citlivé články batérií a ich schránky. Takto môžete napríklad systémom čierneho popisovania (Black Marking) s vysokým kontrastom dobre čitateľne popisovať všetky komponenty, s najvyššou odolnosťou voči korózii. Táto dlhá životnosť je aj predpokladom pre zákonom vyžadované spätné odsledovanie výroby a zadokumentovanie obrobkov.
Ďalšie aplikácie zvárania v článku batérie
- Zváranie konektorov
- Zváranie pinov
- Zváranie deliacej platne
- Záverečné zváranie
- Zváranie článkov batérie Pouch
- Predbežné zváranie (spájanie) telies a krytov
- Zváranie snímačov stavu nabitia
- Zváranie spojov Cu-Al
Poradenstvo v oblasti elektromobility – vysporiadajme sa spoločne s elektromobilitou
Chceli by ste vedieť, ako môžeme optimálne podporovať Vašu výrobu na ceste k elektromobilite? Profitujte z našich rozsiahlych vedomostí z pozície dodávateľa technológií pre OEM, TIER, výrobcov článkov a integrátorov. Okrem toho sme partnerom mnohých verejných a súkromných výskumných stredísk, s ktorými spoločne vyvíja nové technologické riešenia pre výrobu batérií.
TRUMPF ako Váš partner
Či už ide o lasery so zelenou vlnovou dĺžkou na zváranie materiálov z medi, tvarovanie lúča (BrightLine Weld), na zváranie hliníka a medi bez pórov a prskancov alebo špeciálne senzoriky na zabezpečenie kvality a sledovanie procesu – TRUMPF ponúka nespošetné množstvo inovatívnych výrobných riešení na výrobu článkov batérií. Využívate pritom naše technologické balíky s veľkým výberom zdrojov lúča, optík, senzorík a vedomostí o aplikáciách.
Portfólio produktov pre výrobu batérií
Technológia TRUMPF BrighLine Weld je kľúčom k zváraniu bez prskancov prípojníc busbar, konektorov, can-cap alebo schránok modulov pomocu vysoko výkonných infračervených laserov. Okrem toho sú naše lasery TruDisk so zelenou vlnovou dĺžkou predurčené na obrábanie materiálov s vysokým odrazom svetla, ako napr. meď – až do 2 kW cw alebo pulzne až do 400 W stredného výkonu. Tak je možné realizovať definované a konštantné hĺbky prevarenia, ktoré zabezpečia opakovateľné výsledky procesov. Pri teplovodivom zváraní okrem toho využívate výhody minimálneho prísunu tepla do obrobku. Naša senzorika VisionLine OCT bola špeciálne vyvinutá na automatizovanú a vysoko produktívnu výrobu. Vďaka tomu sa môžete stále spoľahnúť na úplnú dokumentáciu a možnosť spätného odsledovania výroby.
Produktívne a výkonné systémy pre našich zákazníkov
Konštrukcia nášho lasera TruDisk umožňuje vďaka viacerým výstupom lasera na jednom laseri optimálne vyťaženie lasera pri jeho zdieľaní a redundančnom režime. Okrem toho využívate výhody našej regulácie výkonu lasera, vďaka čomu je výkon lasera na obrobku stále konštantný.
TRUMPF ako garant inovácií
Považujeme sa za Vášho aplikačného poradcu a poskytovateľa nových výrobných možností. Využite pritom výhody našich fundovaných znalostí v odvetví a našich skúseností získaných desaťročiami pri výrobe laserov.
Globálne navrhnutý, schopný konať lokálne
Využívajte výhody poradenstva našich odborníkov a našej celosvetovej servisnej siete. Bez ohľadu na to, či požadujete náš servis alebo vývoj aplikácií – sme tam, kde ste Vy. Pri monitorovaní stavu Condition Monitoring sledujú naši servisní experti a algoritmy Váš laser z hľadiska predvídania údržby najmä pri citlivých a veľkých výrobných linkách.
Laserové aplikačné centrum TRUMPF v Ditzingene
Mnoho prípadov, jedna návšteva, ktorá sa oplatí
Na ploche viac ako 4.000 m² je Laserové aplikačné centrum TRUMPF v Ditzingene jedno z najväčších laserových aplikačných centier na svete. Naši aplikační technici a špecialisti v odvetví Vás podporujú pri vývoji a optimalizácii aplikácie podľa Vášho konkrétneho obrobku – s našim rozsiahlym portfóliom rôznych systémov obrábania laserom.
Kontakt