Aktueller Stand und Entwicklungsperspektiven der Laserschweißtechnik für Powerbatterien

Vor dem Hintergrund der rasanten Entwicklung der neuen Energiefahrzeugindustrie bestimmen Leistungsbatterien als zentrale Energieeinheit des gesamten Fahrzeugsystems durch ihre Sicherheit, Zuverlässigkeit und Konsistenz direkt das Gesamtleistungsniveau des Fahrzeugs. Von einzelnen Zellen über Module bis hin zum gesamten Batteriepaket ist die Schweißqualität einer der Schlüsselfaktoren für die Batterielebensdauer, die Sicherheitsleistung und die Ausbeute bei der Fertigung in großem Maßstab. Unter den verschiedenen Schweißverfahren ist das Laserschweißen aufgrund seiner hohen Energiedichte, hohen Präzision und hohen Automatisierungsfähigkeit zu einem unverzichtbaren Schlüsselprozess in der Herstellung von Leistungsbatterien geworden.

 

 

Um den Entwicklungsanforderungen hinsichtlich Leichtbau und hoher -Energiedichte in Fahrzeugen mit neuer Energie gerecht zu werden, werden üblicherweise Aluminiumlegierungsmaterialien für Strukturkomponenten von Leistungsbatterien verwendet. Für Komponenten wie Zellgehäuse, Abdeckungen und Stromschienen werden typischerweise Aluminiumlegierungen der 1. oder 3. Reihe verwendet, die über eine gute Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Formbarkeit verfügen. In einigen Bereichen, in denen eine hohe Leitfähigkeit erforderlich ist, werden Kupfer oder Aluminium-Kupfer-Verbundwerkstoffe verwendet.

 

Allerdings weisen Aluminiumlegierungen selbst eine hohe chemische Reaktivität, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen hohen linearen Ausdehnungskoeffizienten auf und ihre Oberfläche bildet leicht einen dichten Oxidfilm, wodurch sie beim Schweißen sehr anfällig für Defekte wie Porosität, Spritzer, Brüche und Heißrisse sind. Darüber hinaus können sich bei der Verbindung von Aluminium-Kupfer unterschiedlichen Materialien spröde intermetallische Verbindungen bilden, die die Festigkeit der Verbindung verringern. Diese Materialeigenschaften stellen äußerst hohe Anforderungen an die Energieführung, Formstabilität und Konstanz des Schweißprozesses.

 

 

Die Herstellung von Leistungsbatterien umfasst typischerweise drei Hauptphasen: Zelle, Modul und Pack. Das Außengehäuse des Batteriepakets dient in erster Linie der strukturellen Unterstützung und des Schutzes und besteht in der Regel aus dickeren Aluminiumlegierungsprofilen. Das Schweißen erfolgt hauptsächlich durch Lichtbogenschweißen oder Reibrührschweißen.

 

Im Gegensatz dazu sind die internen Komponenten von Zellen und Modulen klein, weisen präzise Strukturen auf und erfordern enge Schweißabstände, was es für herkömmliche Schweißmethoden schwierig macht, Schweißqualität und Produktionsgeschwindigkeit in Einklang zu bringen. Das Laserschweißen hat sich aufgrund seiner hohen Leistungsdichte, guten Zugänglichkeit und berührungslosen Verarbeitungseigenschaften zum bevorzugten Verfahren für Batteriezellengehäuse, Abdeckungen, explosionssichere Ventile, Stromschienen und andere Komponenten entwickelt. Es wird häufig in prismatischen Batteriestrukturen mit Aluminiumgehäuse verwendet, wie z. B. Abdeckplatten für Leistungsbatterien, Abdeckplatten für Lithium-Ionen-Batterien und Aluminiumgehäuse für Lithiumbatterien.

 

 

Batteriegehäuse und -deckel dienen in erster Linie der Abdichtung des Elektrolyten und der stabilen strukturellen Unterstützung der Innenelektroden. Die Schweißqualität bestimmt direkt die Dichtleistung und Druckfestigkeit der Batterie. Zu den gängigen Materialien gehört die Aluminiumlegierung Al3003 mit einer Dicke von typischerweise 0,3 bis 0,5 mm. In diesem Bereich kommen häufig Verbundlaser- oder Ringlaserschweißverfahren zum Einsatz.

 

In der tatsächlichen Produktion sind diese Schweißnähte anfällig für Fehler wie unvollständige Durchdringung, Porosität, Zusammenbruch und Spritzer. Durch die rationelle Steuerung des Wärmeeintrags, der Schweißgeschwindigkeit und der Laserenergieverteilung kann die Eindringtiefe effektiv stabilisiert und die Anforderungen an die Druckfestigkeit erfüllt werden. Mit dem technologischen Fortschritt haben sich Pulswellenformmodulation und kontinuierliches Hochgeschwindigkeitslaserschweißen nach und nach zu gängigen Lösungen entwickelt, die die Produktionseffizienz erheblich verbessern und gleichzeitig die Schweißgleichmäßigkeit verbessern.

 

Um die innere Qualität der Schweißnaht weiter zu verbessern, wurden das Galvanometer-Scanning-Schweißen und die Laseroszillationstechnologie beim Batteriegehäuseschweißen eingeführt. Das dynamische Rühren des Schmelzbades beschleunigt den Blasenaustritt und verfeinert die Kornstruktur, wodurch die mechanischen Eigenschaften und die Dichtsicherheit der Schweißverbindung verbessert werden. Diese Prozesse werden häufig bei der Herstellung von Strukturbauteilen wie prismatischen Aluminiumgehäusen für Zellen und Batterieabdeckungen aus Aluminium eingesetzt.

 

 

Explosionssichere Ventile-sind wichtige Komponenten in Sicherheitssystemen für Leistungsbatterien. Wenn der Innendruck der Batterie ungewöhnlich ansteigt, wird durch den kontrollierten Bruch Gas freigesetzt, wodurch ein thermisches Durchgehen und eine Explosion verhindert werden. Explosionsgeschützte Ventile bestehen typischerweise aus reinen Aluminiumblechen mit einer Dicke von nur 0,08–0,1 mm und reagieren äußerst empfindlich auf die Einwirkung von Schweißwärme.

 

Beim Laserschweißen kann eine zu hohe Leistungsdichte leicht zu Überhitzung und Perforation des explosionssicheren Ventils führen, während ein heftiger Gasaustritt aus dem Schmelzbad Porenfehler verursachen kann. Durch die Optimierung des Laserwellenformdesigns, die Einführung eines kurzzeitigen Spitzenwerts in der Anfangsphase des Schweißens zur Verbesserung der Materialabsorption und die schrittweise Reduzierung der Energieabgabe in den nachfolgenden Phasen kann ein Durchbrennen effektiv vermieden und gleichzeitig die Integrität der Schweißnaht gewährleistet werden.

 

Darüber hinaus sind eine verstärkte Reinigung vor dem Schweißen zur Reduzierung von Öl- und Feuchtigkeitsrückständen und die Kontrolle von Montagespalten durch eine angemessene Schweißsequenz wichtige Mittel zur Reduzierung von Porositätsfehlern. Diese Prozessoptimierungsmaßnahmen wurden erfolgreich in Strukturen wie der Lithium-Batterie-Top-Cap und dem Top-Deckel für prismatische Batteriezellen angewendet.

 

 

Mit der rasanten Expansion der Märkte für neue Energiefahrzeuge und Energiespeicher steigt die Nachfrage nach Schweißprozessen mit hoher -Konsistenz und hoher{1}}Zuverlässigkeit für Energiebatterien weiter an. Die zukünftige Entwicklungsrichtung der Laserschweißtechnik konzentriert sich hauptsächlich auf folgende Aspekte:

 

Erstens der Einsatz von Laserquellen mit höherer Leistungsdichte und präziserer Energiesteuerung, um den Schweißanforderungen dünnerer und komplexerer Strukturen gerecht zu werden; zweitens Online-Überwachung und geschlossene{0}Loop-Steuerung des Schweißprozesses zur Verbesserung der Schweißstabilität durch Echtzeiterkennung des Schmelzbadzustands; und drittens die Prozessoptimierung zum Verbinden unterschiedlicher Materialien wie Aluminium und Kupfer, um den Entwicklungsanforderungen neuer Batteriestrukturen und Verbundmaterialkomponenten wie Kupfer- und Aluminium-Bimetall-Bipolarplatten gerecht zu werden.

 

Mit der weiterhin weit verbreiteten Einführung prismatischer Batteriestrukturen in Fahrzeugen mit neuer Energie wird die Standardisierung und großflächige Anwendung von Laserschweißprozessen für Komponenten wie prismatische Batteriegehäuse aus Aluminiumlegierung, Batteriealuminiumgehäuse und wiederaufladbare Aluminiumgehäuse zu einer wichtigen Richtung für die technologische Entwicklung in der Branche.

 

 

Die Laserschweißtechnologie ist tief in den gesamten Prozess der Herstellung von Energiebatterien integriert und bietet eine entscheidende Unterstützung für die Erzielung hoher Sicherheit, hoher Konsistenz und hoher Effizienz in der Produktion. Angesichts der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Materialsysteme, des Strukturdesigns und des Fertigungstempos wird das Laserschweißen weiterhin eine zentrale Rolle auf diesem Gebiet spielenPower-Batterien mit Aluminiumgehäuse-und wird breitere Anwendungsaussichten in der zukünftigen neuen Energiebranche aufzeigen.