Introducción a las tecnologías de soldadura de baterías de iones de litio

Dado que el sistema de baterías de iones de litio se compone de muchas celdas unitarias, módulos, etc., implica mucha tecnología de soldadura de baterías. Las tecnologías de soldadura de baterías más comunes son: la soldadura por ultrasonidos, la soldadura por puntos de resistencia, la soldadura por láser y la soldadura TIG por pulsos. En este artículo se combinan los resultados de la aplicación de las tecnologías de soldadura de baterías mencionadas en los sistemas de baterías de iones de litio y se analizan los factores que influyen.

Introducción de tecnologías de soldadura en batería

Soldadura por ultrasonidos

La soldadura por ultrasonidos es una batería de estado sólido proceso de soldadura. No es necesario fundir la pieza, sino que se utiliza la energía de vibración mecánica de los ultrasonidos de alta frecuencia (normalmente superior a 20 kHz) para apretar la pieza y fusionarla por fricción. La soldadura por ultrasonidos puede utilizarse ampliamente en la unión de diversas formas de láminas metálicas, no sólo para soldar entre piezas del mismo material, sino también para soldar entre piezas de distintos materiales con diferentes puntos de fusión.

Además, debido a su alta eficacia y velocidad, funcionamiento a baja temperatura y protección del medio ambiente, la soldadura por ultrasonidos también se utiliza ampliamente en la conexión de sistemas de baterías. La limitación de la aplicación de la soldadura por ultrasonidos en los sistemas electrónicos de iones de litio se debe principalmente al bajo espesor de soldadura (<3 mm) de este método de soldadura de baterías y a la incapacidad de lograr la soldadura de piezas de trabajo de materiales de alta resistencia.

Los parámetros del proceso que afectan a la calidad de la soldadura por ultrasonidos son similares a la aplicación de la soldadura por ultrasonidos en otros campos, incluyendo principalmente la presión de soldadura, la amplitud de soldadura y el tiempo de soldadura. Los parámetros del proceso de soldadura tienen una gran influencia en el rendimiento de la soldadura en batería, que se refleja principalmente en la calidad de la soldadura, las propiedades mecánicas, las propiedades eléctricas, las propiedades térmicas, etc.

Soldadura por puntos de resistencia

La soldadura por puntos por resistencia consiste en apretar la pieza de trabajo a través del electrodo y conducir la corriente durante el proceso de soldadura, y luego confiar en la resistencia de la interfaz de la pieza de trabajo de metal para generar calor local para fusionar la pieza de trabajo. Debido a que la soldadura por puntos de resistencia tiene las ventajas de una tecnología relativamente madura, fácil control, bajo coste y alta eficiencia de trabajo, la soldadura por puntos de resistencia tiene una amplia gama de aplicaciones en la conexión de baterías de litio, especialmente en la fabricación de celdas de batería cilíndricas de pequeño tamaño como Batería 18650.

Los parámetros del proceso que afectan a la soldadura por puntos de resistencia incluyen la corriente, la presión, el tiempo de presurización, etc., siendo los más importantes la corriente de pico y el tiempo de corriente de pico. Si la corriente es demasiado baja o el tiempo de corriente de pico es demasiado corto, la interfaz de la pieza de trabajo no es suficiente para generar el calor necesario para la fusión local, por lo que no se puede formar una fusión continua.

Sin embargo, la corriente de pico y el tiempo de corriente de pico no deben ser demasiado grandes, porque si la pieza de trabajo se expone a la corriente de pico durante mucho tiempo, puede generarse un calor local excesivo, vaporizando así el material. Por lo tanto, para fabricar un sistema de baterías de iones de litio de alta calidad, este método de soldadura de baterías necesita optimizar los parámetros adecuados del proceso de soldadura por puntos de resistencia.

La soldadura por puntos de resistencia se utiliza como método de soldadura en batería, y se enfrenta a muchos retos. Hay tres puntos principales:

(1) Los materiales de alta conductividad utilizados habitualmente en las baterías de litio no son adecuados para la soldadura por puntos por resistencia, como el cobre y el aluminio utilizados como electrodos y piezas polares, que son difíciles de aplicar en la soldadura por puntos por resistencia debido a su alta conductividad;

(2) La soldadura por puntos por resistencia consiste en fundir la pieza para lograr el objetivo de la soldadura. Los distintos materiales son difíciles de soldar debido a sus diferentes puntos de fusión;

(3) Es difícil de aplicar a la soldadura de piezas de varias capas, y es difícil producir pepitas de soldadura grandes, generalmente de 0,9 mm a 2,0 mm.

Soldadura láser

La soldadura láser es un proceso de soldadura en batería sin contacto, normalmente en pocos milisegundos, el rayo láser genera calor para calentar la pieza y unir varias capas de metal. Suele utilizarse para soldar contenedores de electrolito, conectores y barras colectoras.

Como proceso de soldadura de baterías sin contacto, la soldadura láser tiene las ventajas correspondientes para la soldadura de baterías de litio. Dado que la soldadura láser tiene la zona afectada por el calor más pequeña de todos los procesos de soldadura de baterías y puede aplicarse a la conexión de láminas multicapa, la soldadura láser se considera el proceso de soldadura de baterías más eficaz para las baterías de litio.

Hay muchos factores que afectan al proceso de soldadura en batería de la soldadura láser. Se trata principalmente de la frecuencia y amplitud del bamboleo, la frecuencia de potencia y el tiempo de pulso del láser, y la velocidad de movimiento y el rango de enfoque del equipo.

Sin embargo, los investigadores pertinentes también han descubierto que la soldadura láser requiere una gran precisión en la posición de montaje de la pieza de trabajo, y exige que los materiales de soldadura reúnan una alta reflectividad, una alta conductividad térmica y otras propiedades.

Por lo tanto, la implementación y aplicación de la soldadura láser en la soldadura de baterías de iones de litio se ha vuelto más difícil. Al soldar la lengüeta al terminal, la lengüeta debe ser más fina que el terminal de la caja de la batería, y los parámetros de procesamiento deben controlarse estrictamente para proporcionar suficiente energía de soldadura sin penetrar en la caja de la batería.

Soldadura TIG por impulsos

La soldadura TIG por pulsos (TungstenInertGas, soldadura con gas protector de tungsteno), también conocida como micro-TIG, es un proceso de soldadura que utiliza electrodos de tungsteno sin fusión para generar arcos y trabaja bajo gas inerte. El proceso de soldadura en batería de TIG pulsado tiene las características de un proceso de operación sencillo, un cordón de soldadura bonito y una alta calidad. Debido al mecanismo de limpieza de la soldadura TIG por pulsos, la película de óxido de resistencia de la aleación de aluminio se puede limpiar, por lo que es más adecuada para la soldadura de baterías de litio de aluminio.

Hay muchos parámetros de proceso que afectan a la calidad de la soldadura TIG pulsada, como la corriente de soldadura, la velocidad de soldadura, la tensión del arco, la velocidad de alimentación del hilo de soldadura, el diámetro de soldadura y los factores operativos. Para la soldadura TIG de aleaciones de aluminio, se utiliza el método univariante para estudiar la influencia de la corriente de soldadura, la velocidad de soldadura y la velocidad de alimentación del hilo en la calidad de la soldadura, como la profundidad de penetración y la morfología de la soldadura.

Los resultados mostraron que la profundidad de penetración estaba positivamente correlacionada con la corriente de soldadura, y negativamente correlacionada con la velocidad de soldadura y la velocidad de alimentación del hilo, y la corriente de soldadura tenía la mayor influencia en la profundidad de penetración. En combinación con la topografía de la superficie, la altura de la capa de revestimiento y la anchura de fusión, los parámetros de proceso optimizados son la corriente de soldadura de 125 A, la velocidad de soldadura de 200 mm/min y la velocidad de alimentación del hilo de 1100 mm/min.

Al mismo tiempo, algunos investigadores señalaron que, debido al alto calor de la soldadura TIG por impulsos, el material de aleación de aluminio es propenso a la deformación y las grietas, no es propicio para el control de la precisión dimensional de la caja del sistema de baterías de iones de litio, y afecta a la resistencia de la caja, pudiendo producirse fallos de conexión durante el uso posterior por parte de los usuarios. Por lo tanto, en el proceso de producción, es necesario identificar los posibles defectos de antemano y hacer la correspondiente evitación.

Con tantas tecnologías de soldadura de baterías, en el proceso de diseño y fabricación de sistemas de baterías de litio, para seleccionar una tecnología de soldadura de baterías adecuada, se han analizado varias tecnologías de soldadura de baterías ideales desde múltiples perspectivas, como la fuerza de conexión, la resistencia, la durabilidad y el coste en diferentes escenarios de uso. Por ejemplo, para la conexión a nivel de módulo compuesta por baterías cilíndricas y la conexión a nivel de módulo compuesta por baterías de petaca, las tecnologías ideales de soldadura de baterías son la soldadura por ultrasonidos, la soldadura por láser y la soldadura TIG.

Conclusión

Con el desarrollo de los vehículos eléctricos, la soldadura de baterías de litio también ha hecho grandes progresos. Para satisfacer la demanda de la población de sistemas de baterías de iones de litio de alta calidad, es necesario llevar a cabo una investigación técnica más profunda sobre la tecnología de soldadura de baterías.

Se cree que con la profundización en la investigación de la tecnología de conexión, los elementos del proceso de diversas tecnologías de conexión son cada vez más claros y el control del proceso de fabricación es cada vez más refinado. La calidad del sistema de baterías de iones de litio está más garantizada, lo que impulsa a los vehículos eléctricos a un nuevo nivel.