Herstellungsprozess für Leistungsbatterien: Laserschweißtechnologie erklärt

Vor dem Hintergrund der rasanten Entwicklung der neuen Energiefahrzeugindustrie wirkt sich die Fertigungsqualität von Leistungsbatterien als Kernkomponente des Fahrzeugs direkt auf die Sicherheit, die Lebensdauer und die Energiedichte des Fahrzeugs aus. Leistungsbatteriesysteme bestehen typischerweise aus Zellen, Batteriemodulen und Batteriepaketen (PACKs). Ihre innere Struktur umfasst zahlreiche Metallmaterialverbindungen, darunter Elektrodenlaschen, leitfähige Verbindungsstücke, Batteriegehäuse und Verkapselungsstrukturen. Unter diesen kritischen Verbindungsverbindungen hat sich das Laserschweißen mit seiner hohen Energiedichte, der berührungslosen Verarbeitung und der hohen Automatisierungsanpassungsfähigkeit nach und nach zu einem der wichtigsten Prozesse bei der Herstellung von Energiebatterien entwickelt. Insbesondere bei Gehäusestrukturen aus Aluminiumlegierungen, wie Batterie-Aluminiumgehäusen oder prismatischen Zellgehäusen, können durch Laserschweißen hochpräzise abgedichtete Verbindungen erzielt werden, die eine stabile und zuverlässige Kapselungsumgebung für das Batterieinnere bieten.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Der Herstellungsprozess von Energiebatterien umfasst in der Regel mehrere Phasen, z. B. die Zellproduktion, die Montage in der mittleren Phase und die Back-{1}-PACK-Integration. In diesen Phasen wird das Laserschweißen häufig in Schlüsselprozessen wie dem Laschenschweißen, dem Elektrodenpunktschweißen, dem Vorschweißen von Zellen, dem Schweißen von Gehäusen und oberen Abdeckungen sowie dem Abdichten von Flüssigkeitseinspritzöffnungen eingesetzt. In der nachgelagerten Modul- und PACK-Montagephase müssen unterdessen auch Prozesse wie das Schweißen von Verbindungsstücken, das Schweißen von explosionsgeschützten Ventilen und das Schweißen von Batterieklemmen abgeschlossen werden. Diese Strukturen werden häufig direkt in Strukturkomponenten wie prismatische Batteriegehäuse aus Aluminiumlegierung oder Aluminiumschalen für Lithium-Ionen-Batteriezellen integriert. Daher spielt die Schweißqualität eine entscheidende Rolle für die Dichtungsleistung, die strukturelle Festigkeit und die thermische Stabilität der Batterie.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Im Zellaufbau ist die Dichtschweißung zwischen Batteriegehäuse und Abdeckplatte einer der kritischsten Fertigungsschritte. Gehäuse von Leistungsbatterien bestehen typischerweise aus einer Aluminiumlegierung der Serie 3003 mit einer Dicke, die im Allgemeinen zwischen 0,6 und 0,8 mm liegt. Durch gepulstes Laserschweißen mit geringer-Leistung können qualitativ hochwertige Schweißnähte zwischen dem Gehäuse und der Abdeckplatte erzielt werden, wodurch ein stabiler, dichter Raum entsteht. Bei prismatischen Zellen wird diese Struktur typischerweise als Aluminiumhülle einer prismatischen Zelle oder als Aluminiumhülle für eine prismatische Lithium-Ionen-Batterie dargestellt. In der tatsächlichen Produktion umfassen Schweißfehler hauptsächlich unvollständige Durchdringung, Porosität und Schweißkollaps. Diese Mängel wirken sich direkt auf die Dichtleistung und Druckfestigkeit des Batteriegehäuses aus und wirken sich dadurch auf die Batterielebensdauer und die Sicherheitsleistung aus. Das Schweißen von Batteriepolen ist eine entscheidende Verbindungsstruktur für die Stromleitung in Leistungsbatterien. Anschlüsse werden im Allgemeinen in positive und negative Elektroden unterteilt, wobei die positive Elektrode typischerweise aus Aluminium und die negative Elektrode aus Kupfer besteht.

 

Mehrere Zellen können mittels Schweißverbindern in Reihe oder parallel zu einem kompletten Batteriemodul verbunden werden. Die Anschlüsse sind normalerweise in die Batterieabdeckung integriert und in der oberen Struktur des Aluminiumgehäuses der Lithiumzelle oder des Aluminiumgehäuses der Lithiumzellenbatterie installiert. Beim eigentlichen Schweißen ist das Anschlussschweißen anfällig für Fehler wie Poren, hauptsächlich aufgrund des kleinen Durchmessers des Schweißbereichs und der Tendenz, dass Verunreinigungen wie Stempelöl oder Reinigungsmittel zurückbleiben. Unter Laserbestrahlung mit hoher -Energie-Dichte verdampfen diese Verunreinigungen schnell und bilden Blasen, die entweichen und Schweißlücken erzeugen. Daher sind die Reinigung vor dem Schweißen und die Optimierung der Laserleistungskurve besonders wichtig.

 

Das explosionssichere Schweißen von Ventilen ist ein wichtiger Bestandteil der Sicherheitsstruktur von Energiebatterien. Explosionssichere Ventile sind normalerweise an der Batterieabdeckung angebracht. Ihre Funktion besteht darin, aktiv zu platzen und den Druck abzulassen, wenn der Innendruck der Batterie ungewöhnlich ansteigt, um so Unfälle durch Batterieexplosionen zu verhindern. Explosionssichere Ventile bestehen typischerweise aus zwei Schichten laserverschweißter Aluminiumbleche, deren Detonationsdruck normalerweise zwischen 0,4 und 0,7 MPa liegt. Diese Struktur ist häufig in die Verpackung von Aluminiumbatteriegehäusen oder Batteriepaketen mit Aluminiumgehäusen für New Energy Vehicles integriert und erfordert daher eine äußerst strenge Kontrolle der Schweißnahtabdichtung und der Wärmezufuhr. Übermäßige oder unzureichende Schweißenergie kann zu instabilen Auslösedrücken im explosionsgeschützten Ventil führen und die allgemeine Sicherheitsleistung der Batterie beeinträchtigen.

 

Bei der Herstellung von Batteriemodulen ist das Adapterschweißen ein entscheidender Prozess, der die Batteriezelle mit der Abdeckplatte verbindet. Der Adapter benötigt nicht nur eine gute Leitfähigkeit, sondern muss auch hohen Strombelastungen und mechanischen Belastungen standhalten. In praktischen Ausführungen wird der Adapter typischerweise an ein tiefgezogenes Aluminium-Batteriegehäuse oder ein Pack-Aluminiumgehäuse geschweißt und bildet so eine stabile Verbindung mit den Laschen der Zelle. Da Kupfer eine geringe Laserabsorption und ein hohes Reflexionsvermögen aufweist, ist beim Schweißen unterschiedlicher Kupfer-{3}Aluminium-Metalle eine höhere Energiedichte erforderlich, um die Schweißdurchdringung und die Verbindungsfestigkeit sicherzustellen. Gleichzeitig ist eine strenge Kontrolle der Spritzer erforderlich, um zu verhindern, dass Partikel in die Batteriezelle gelangen und Kurzschlüsse verursachen.

 

In Power-Batteriepacksystemen wirkt sich die Schweißqualität der Batteriemodule direkt auf die Stromgleichmäßigkeit und die Wärmemanagementleistung des gesamten Systems aus. Ein Batteriemodul besteht aus mehreren in Reihe und parallel geschalteten Zellen und benötigt außerdem ein Batteriemanagementsystem (BMS) zur Überwachung und zum Schutz. In dieser komplexen Struktur erfordert das Schweißen von Verbindungsstücken typischerweise Hochleistungslasergeräte, um ein stabiles Schweißen dicker Kupfer- oder Aluminiummaterialien zu erreichen. Beispielsweise wird in großen Energiespeichersystemen oder neuen Energiefahrzeugpaketen die Verbindungsstruktur üblicherweise im Strukturrahmen einer Aluminiumhülle für Lithium-Eisenphosphat-Zellen oder einer Aluminiumhülle für eine prismatische Lithium-Ionen-Batterie installiert, um die strukturelle Festigkeit und elektrische Zuverlässigkeit des Moduls sicherzustellen.

 

Obwohl das Laserschweißen erhebliche Vorteile bei der Herstellung von Energiebatterien bietet, bleiben beim Schweißen von Aluminiumlegierungsmaterialien einige technische Herausforderungen bestehen. Erstens gibt es das Problem der Porosität. Aufgrund der hohen Löslichkeit von Wasserstoff im geschmolzenen Aluminiumlegierungsbad bilden sich bei der schnellen Erstarrung leicht Wasserstoffporen. Darüber hinaus kann das Kollabieren kleiner Löcher beim Laserschweißen auch zu Porositätsfehlern führen. Zweitens gibt es das Problem der Heißrissbildung. Da es sich bei Aluminiumlegierungen um typische eutektische Legierungen handelt, können beim Abkühlen des Schweißvorgangs häufig Korngrenzenverflüssigungsrisse auftreten, wodurch die Festigkeit der Schweißverbindung verringert wird. Diese Probleme treten besonders häufig beim Schweißen kritischer Strukturkomponenten wie Aluminiumgehäuse für Lithium-Ionen-Batteriezellen oder prismatischer Batteriegehäuse aus Aluminiumlegierung auf.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ein weiterer häufiger Defekt sind Schweißspritzer, auch „Splatter“ genannt. Dieses Phänomen wird normalerweise durch Oberflächenverunreinigungen von Materialien, eine zu hohe Laserenergiedichte oder eine unzureichende Laserstrahlstabilität verursacht. Wenn sich auf der Materialoberfläche im Schweißbereich Poren oder Vorsprünge befinden, kann der hochenergetische Laser schnell zu örtlicher Verdampfung führen, was zu Metallspritzern führt. Bei Batteriemodulen, die in prismatischen Zellaluminiumschalen oder Batteriealuminiumgehäusestrukturen eingebaut sind, kann das Eindringen von Spritzern in die Zelle zu Isolationsfehlern oder Kurzschlussrisiken führen. Daher müssen in der tatsächlichen Produktion Spritzerprobleme durch die Optimierung der Laserparameter, die Verbesserung der Materialreinheit und die richtige Steuerung der Punktgröße reduziert werden.

 

Auch die Schweißprozesse unterscheiden sich in verschiedenen Batteriestrukturen. Beispielsweise sind beim Laschenschweißen von Beutelbatterien spezielle Werkzeuge erforderlich, um die Laschen fest zu pressen, um einen stabilen Schweißspalt zu gewährleisten und so eine S--förmige oder spiralförmige Schweißbahn zu erreichen. Bei zylindrischen Batterien konzentriert sich das Schweißen hauptsächlich auf den Anschlussbereich der positiven Elektrode, da die Hülle der negativen Elektrode dünner und anfällig für Durchbrennen ist. Bei prismatischen Batterien kommt in erster Linie ein Schalen-{5}}und-Kapselschweißverfahren zum Einsatz, das typischerweise in oben-geschweißte und seitlich-geschweißte Strukturen unterteilt ist. Seitlich geschweißte Methoden verringern das Risiko, dass Spritzer in die Zelle gelangen, erfordern jedoch höhere Standards an Materialreinheit und Gerätestabilität. Oben-verschweißte Verfahren eignen sich besser für die Massenproduktion, erfordern jedoch präzisere Schalenbearbeitungstechniken. Diese Schweißstrukturen werden häufig in Batteriegehäusestrukturen verwendet, beispielsweise in Aluminiumgehäusen für prismatische Lithium-Ionen-Batterien oder in Aluminiumbatteriegehäusen für neue Energiefahrzeuge.

 

Insgesamt entwickelt sich die Herstellung von Energiebatterien mit der Entwicklung neuer Energiefahrzeuge und Energiespeicherindustrien hin zu höherer Präzision, Automatisierung und Intelligenz. Die Laserschweißtechnologie mit ihren Vorteilen hoher Effizienz, geringer Wärmeeinwirkung und Anwendbarkeit auf komplexe Strukturen ist zu einem wichtigen Herstellungsverfahren in der Produktion von Energiebatterien geworden. Von der Zellverpackung über die Modulmontage bis hin zur PACK-Systemintegration durchzieht die Laserschweißtechnologie den gesamten Herstellungsprozess und bildet ein hohes Maß an Synergie mit wichtigen Strukturkomponenten wie Lithiumzellen, Aluminiumschalen und Batteriepacks mit Aluminiumgehäuse.

 

 

Im Herstellungsprozess von Leistungsbatterien benötigen hochwertige Batteriegehäuse nicht nur hervorragende Materialeigenschaften, sondern müssen sich auch an Präzisionsschweißprozesse anpassen können. Unser Unternehmen ist auf die Forschung, Entwicklung und Herstellung von Strukturkomponenten für neue Energiebatterien spezialisiert und bietet eine Vielzahl hochpräziser Batteriegehäuselösungen, darunter tiefgezogene Aluminium-Batteriegehäuse, prismatische Zellgehäuse und Aluminiumgehäuse für Lithium-Ionen-Batteriezellen. Diese Komponenten bestehen aus einer hochfesten Aluminiumlegierung und werden durch Präzisionsstanz- und Tiefziehverfahren hergestellt. Sie erfüllen die strengen Anforderungen von Leistungsbatterien hinsichtlich Abdichtung, struktureller Festigkeit und Schweißbarkeit.

 

Unsere Produkte werden häufig in Batteriesystemen für neue Energiefahrzeuge, Energiespeicherbatteriesystemen und Hochleistungsbatteriemodulen eingesetzt und bieten Kunden zuverlässige Aluminiumgehäuse und -gehäusePacken Sie Aluminiumgehäuse einLösungen zur Verbesserung der Sicherheit und Fertigungseffizienz von Batteriesystemen.