Anslutningen av enskilda celler till moduler eller paket sker genom så kallad busbar-svetsning Som busbar kallas den strömförande skenan. Prismatiska celler eller cellmoduler kan förenas med varandra med material av samma typ (Al/Al eller Cu/Cu), men även blandade föreningar (t.ex. Al/Cu). Det är alltså viktigt att förbindelserna är mekaniskt fasta eftersom de utsätts för vibrationer och värme i fordonet. Samtidigt måste en permanent elektrisk anslutning med lågt motstånd säkerställas. Under svetsprocesserna är det viktigt att det bildas så lite stänk som möjligt. Likaså spelar reproducerbarhet, minimal värmetillförsel, samt definierade insvetsdjup en viktig roll.
Utmaningen: En kostnadseffektiv samt processäker tillverkning av högpresterande litiumjonbatterier för elektromobiliteten.
Vid elbilstillverkningen används idag uteslutande elektrolytbaserade litiumjonbatterier. Alternativa sammansättningar som fastkroppsbatterier eller andra kemiska komponenter har hittills inte uppnått nödvändig industriell mognad.
Produktionen av litiumjonbatterier är en mycket krävande och känslig process, som medför mycket höga material- och energikostnader. Därför måste tillverkningsprocessen ske mycket effektivt med stora partier och minsta möjliga kasserade detaljer. Batteribranschens högsta mål är att uppnå en hög gravimetrisk energitäthet (Wh/kg) och därmed högt miltal, vilket direkt återspeglas av elbilens räckvidd. Dessutom gäller det att utveckla och tillverka battericeller som uppfyller bilindustrins höga krav gällande säkerhet, prestanda och livslängd. Lasern som verktyg erbjuder oöverträffade fördelar när det gäller processäkerhet och effektivitet.
Olika celltyper, samma användning
Inom elektromobilitet används tre typer och format av litiumjonbatterier. Funktionsprincipen är i stort sett samma för alla typer. Den stora skillnaden ligger i konstruktionen, kraven och de använda materialen.
Var används lasern vid tillverkning av battericeller?
Utvalda nyckeltillämpningar inom processkedjan till exempel prismatiska celler.
Svetsning av busbars
Skärning av batterifolier
Skärning av batterifolier används inom två områden. För det första "slitting"; kontinuerlig längsskärning resp. delning av huvudspolen (en- eller tvåsidigt belagd elektrodfolie). Denna skärs till flera delspolar (delar). Under den här processen befinner sig lasern i en fast position; folien löper kontinuerligt genom laserstrålen rulle efter rulle.
Det andra användningsområdet är konturskärning av belagd elektrodfolie. Härmed skärs elektroder (anoder/katoder) från spolen i den form och det antal som behövs. I kombination med en skanneroptik och rörliga axlar eller andra lasrar för förstorning av skanningsfältet skär lasern elektrodfolien i önskad form. Hastigheten är vid konturskärning mer än 1 m/s. Folietjockleken (folie och beläggning på båda sidorna med aktivt material) rör sig mellan 100 och 250 µm. För båda användningsområdena uppfyller TRUMPF laser batteritillverkarens höga krav när det gäller skärhastighet, värmeinfluerad zon, gradbildning samt partikel- eller stänkbildning.
Torkning av batterifolier
Efter beläggningsprocessen måste det aktiva materialet på elektrodfolien torkas. Industriella VCSEL-värmesystem klarar den här uppgiften eftersom laserkällor baserade på VCEL-arrays mycket snabbt och definierat kan värma upp stora ytor med riktad våglängdsselektiv infraröd strålning. Genom att reducera torkningssträckan reduceras platsbehovet för torkningsugnarna avsevärt, dessutom leder lösningen till att processhastigheten ökar samtidigt som kostnader och energi minskar.
Svetsning av batterifolier
Elektrodfolier är mycket tunna koppar- och aluminiumfolier (6–14 µm tjock) som används som bärfolie för det aktiva materialet som anod och katod. Folierna svetsas samman som stapel eller rulle på respektive kontaktytor (30–60 lager) till en anod respektive en katod. Med vår laser garanteras åtkomst från en sida till arbetsstycket. Detta innebär att man tillförlitligt och med minimal stänkbildning kan svetsa samman en stapel med mer än 60 folier.
Can-cap-svetsning
TRUMPF laser försluter det prismatiska batterihöljet (Can) med elektrodpaketet. Dessa består som regel av ett djupdraget batterihölje (0,6 – 0,8 mm väggtjocklek) med ett lock (Cap) på 1,0–1,8 mm medietjocklek – utan porer, sprickor eller oönskade fogförhöjningar. Svetsprocessen med axelstyrd fast optik med svetshastighet på 10–12 m/min är av senaste tekniska standard. TRUMPF teknologin BrightLine Weld säkerställer i princip stänkfri svetsning och högsta processtabilitet. I kombination med en PFO skanneroptik och sensorteknik är det även möjligt med en högdynamisk lösning med svetshastigheter på mer än 25 m/min.
Modulhölje
Batterimoduler består av flera sammansvetsade battericeller till en effektenhet i ett modulhölje. Modulhöljet uppfyller, beroende av använt cellformat, en något annorlunda funktion. Som regel används aluminiumlegeringar och delvis även rostfritt stål, vilket har en medelhög till hög draghållfasthet. Vår Highpower IR laser svetsar dessa utan sprickor och förvridningar med högsta hållfasthet.
Rengöring och strukturering med laser
För battericeller och -moduler finns det många olika användningsområden för rengöring och strukturering med laser. Detta börjar på elektrodnivå, där det aktiva materialet delvis tas av eller struktureras och slutar vid cell- eller modulhöljen för batterier, där ytorna ruggas för bättre vidhäftning eller isolerande lack, syrafläckar och oxidskikt tas bort. Här används hela vår kraftportfölj med kort och ultrakort pulslaser.
Lasermarkering av komponenter
TRUMPF märklaser textar på de känsliga battericellerna och deras höljen, exakt och helt beröringsfritt. Till exempel kan alla komponenter märkas med black marking med mycket hög kontrast, god läslighet och högsta korrosionsbeständighet. Denna långa hållbarhet är även en förutsättning för den lagstadgade spårbarheten och dokumentationen av komponenterna.
Flera svetstillämpningar i battericellen
- Svetsa soft connector
- Svetsa tätningsstift
- Svetsa sprängplatta
- Svetsa terminal
- Svetsa flikar på pouchceller
- Försvetsning (häftning) av CanCaps
- Svetsning av laddtillståndssensorer
- Svetsning av Cu-Al-förbindelser
E-Mobility Consulting – tillsammans klarar vi utmaningarna med e-mobility
Vill du veta hur vi på ett optimalt sätt kan stödja er tillverkning på vägen mot elektromobilitet? Dra nytta av vår omfattande kompetens som teknologileverantör för OEM, TIER, celltillverkare och integratorer. Dessutom är vi partner i flera offentliga och privata forskningsinitiativ där vi utvecklar nya teknologiska lösningar för batteritillverkning.
TRUMPF som er partner
Oavsett om det gäller laser med grön våglängd för svetsning av Cu-material, stråformning (BrightLine Weld) för stänk- och porfri svetsning av aluminium och koppar eller speciella sensortekniker för kvalitetssäkring och processövervakning – TRUMPF erbjuder oräkneliga, innovativa lösningar för tillverkning av battericeller. På så sätt kan ni dra nytta av våra teknologipaket med ett stort urval av laserkällor, optiker, sensortekniker och applikationsexpertis.
Produktportfölj för batteritillverkningen
LTRUMPF-teknologin BrightLine Weld är nyckeln till stänkfri lasersvetsning av busbar, mjuka anslutningar, CanCaps eller modulhöljen med högeffekts IR-lasrar. Dessutom är vår TruDisk laser med grön våglängd förutbestämd för högreflekterande material som exempelvis koppar – upp till 2 kW kontinuerlig drift eller pulsad upp till 400 W medeleffekt. Definierade och konstanta insvetsdjup är möjliga och säkerställer upprepningsbara processer. Vid värmeledningssvetsning kan ni dessutom dra nytta av minimal värmetillförsel till arbetsstycket. Våra sensortekniker VisionLine och OCT har utvecklats speciellt för automatiserad och högproduktiv tillverkning. Ni kan alltså alltid förlita er på en fullständig dokumentation och spårbarhet.
Produktiva och kraftfulla system för våra kunder
Vår TruDisk laser-design möjliggör med flera laserutgångar per laser en optimal toppbelastning av lasern i timesharing- och redundansdrift. Dessutom får ni genom vår lasereffektreglering nytta av en ständigt jämn lasereffekt vid arbetsstycket.
TRUMPF som innovationsgarant
Vi ser oss som er applikationsrådgivare och stödresurs för nya tillverkningsmöjligheter. På så sätt kan ni dra nytta av våra omfattande branschkunskaper och våra decennier av erfarenhet som laserpionjär.
Globalt nominerad, lokalt handlingskraftig
Dra nytta av rådgivning från våra experter och vårt världsomspännande servicenätverk. Oberoende av om du behöver service eller applikationsutveckling så finns vi där för er. Med Condition Monitoring Service-experter och -algoritmer övervakar TRUMPF till exempel er laser för förutseende reparationer speciellt för känsliga och stora produktionslinjer.
TRUMPF Laser Application Center i Ditzingen
Många gånger ett lönsamt besök
Med en yta på mer än 4 000 m² är TRUMPF laserapplikationscentrum i Ditzingen ett av världens största lasertillämpningscentrum Våra applikationsspecialister och branschexperter hjälper er med utveckling och optimering av applikationerna med hjälp av era konkreta komponenter – med vår omfattande portfölj av mångfaldiga laserbearbetningssystem.
Whitepaper: Lasersvetsning av prismatiska celler med programmerbar fokuseringsoptik
Läs mer i vår vitbok om hur batterier kan förslutas gastätt för elektromobilitet ännu snabbare med en programmerbar fokuseringsoptik.
Whitepaper: Lasersvetsning av prismatiska celler med fokuseringsoptik (bearbetningsoptik)
Läs mer i vår vitbok om säkert slitage på batterier för elektromobilitet med hjälp av lasersvetsning.
Whitepaper: Svetsning av samlingsskena
Kontakt