Introduction aux technologies de soudage des batteries lithium-ion

Le système de batterie lithium-ion étant composé de nombreuses cellules, modules, etc., il fait appel à de nombreuses technologies de soudage de batteries. Les technologies de soudage les plus courantes sont : le soudage par ultrasons, le soudage par résistance par points, le soudage au laser et le soudage TIG par impulsion. Cet article combine les résultats de l'application des technologies de soudage de batteries ci-dessus dans les systèmes de batteries au lithium-ion et étudie les facteurs d'influence.

Introduction des technologies de soudage en batterie

Soudage par ultrasons

Le soudage par ultrasons est un batterie à l'état solide processus de soudage. Il n'est pas nécessaire de faire fondre la pièce, mais l'énergie de vibration mécanique des ultrasons à haute fréquence (généralement supérieure à 20 kHz) est utilisée pour serrer la pièce et la fusionner par friction. Le soudage par ultrasons peut être largement utilisé dans l'assemblage de diverses formes de feuilles métalliques, non seulement pour le soudage entre pièces du même matériau, mais aussi pour le soudage entre pièces de matériaux différents ayant des points de fusion différents.

En outre, en raison de son efficacité et de sa vitesse élevées, de son fonctionnement à basse température et de sa protection de l'environnement, le soudage par ultrasons est également largement utilisé dans la connexion des systèmes de batteries. La limitation de l'application du soudage par ultrasons dans les systèmes électroniques au lithium-ion est principalement due à la faible épaisseur de soudage (<3 mm) de cette méthode de soudage des batteries et à l'incapacité de réaliser le soudage de pièces en matériaux à haute résistance.

Les paramètres du processus qui affectent la qualité du soudage par ultrasons sont similaires à l'application du soudage par ultrasons dans d'autres domaines, et comprennent principalement la pression de soudage, l'amplitude de soudage et le temps de soudage. Les paramètres du processus de soudage ont une grande influence sur la performance du soudage en batterie, qui se reflète principalement dans la qualité du soudage, les propriétés mécaniques, les propriétés électriques, les propriétés thermiques, etc.

Soudage par résistance par points

Le soudage par résistance par points consiste à serrer la pièce à travers l'électrode et à conduire le courant pendant le processus de soudage, puis à s'appuyer sur la résistance de l'interface métal-pièce pour générer une chaleur locale afin de fusionner la pièce. Le soudage par résistance par points présente les avantages d'une technologie relativement mature, d'un contrôle facile, d'un faible coût et d'une grande efficacité. Le soudage par résistance par points a un large éventail d'applications dans la connexion des batteries au lithium, en particulier dans la fabrication d'éléments de batterie cylindriques de petite taille tels que les piles à combustible. Batterie 18650.

Les paramètres du processus affectant le soudage par résistance par points comprennent le courant, la pression, le temps de pressurisation, etc., les plus importants étant le courant de pointe et le temps de courant de pointe. En effet, si le courant est trop faible ou si la durée du courant de pointe est trop courte, l'interface avec la pièce n'est pas suffisante pour générer la chaleur nécessaire à la fusion locale, de sorte qu'il n'est pas possible de former une fusion continue.

Toutefois, le courant de pointe et la durée du courant de pointe ne doivent pas être trop importants, car si la pièce est exposée au courant de pointe pendant une longue période, une chaleur locale excessive peut être générée, ce qui vaporise le matériau. Par conséquent, pour fabriquer un système de batterie lithium-ion de haute qualité, cette méthode de soudage de batterie doit optimiser les paramètres appropriés du processus de soudage par résistance par points.

Le soudage par résistance par points est utilisé comme méthode de soudage en batterie et doit faire face à de nombreux défis. Il y a trois points principaux :

(1) Les matériaux à haute conductivité couramment utilisés dans les piles au lithium ne conviennent pas au soudage par résistance par points, tels que le cuivre et l'aluminium utilisés comme électrodes et pièces polaires, qui sont difficiles à mettre en œuvre pour le soudage par résistance par points en raison de leur haute conductivité ;

(2) Le soudage par points par résistance consiste à faire fondre la pièce à souder pour atteindre l'objectif du soudage. Différents matériaux sont difficiles à souder en raison de leurs points de fusion différents ;

(3) Il est difficile de l'appliquer au soudage de pièces multicouches, et il est difficile de produire des pépites de soudure de grande taille, généralement de 0,9 mm à 2,0 mm.

Soudage au laser

Le soudage au laser est un procédé de soudage en batterie sans contact. En quelques millisecondes, le faisceau laser génère de la chaleur pour chauffer la pièce et assembler plusieurs couches de métal. Il est généralement utilisé pour le soudage des réservoirs d'électrolyte, des connecteurs et des barres omnibus.

En tant que procédé de soudage de piles sans contact, le soudage au laser présente des avantages correspondants pour le soudage de piles au lithium. Étant donné que le soudage au laser présente la plus petite zone affectée par la chaleur de tous les procédés de soudage de piles et qu'il peut être appliqué à la connexion de feuilles multicouches, le soudage au laser est considéré comme le procédé de soudage de piles le plus efficace pour les piles au lithium.

De nombreux facteurs influencent le processus de soudage en batterie du soudage au laser. Il s'agit principalement de la fréquence et de l'amplitude de l'oscillation, de la fréquence de la puissance et du temps d'impulsion du laser, ainsi que de la vitesse de mouvement et de la plage de mise au point de l'équipement.

Toutefois, les chercheurs concernés ont également constaté que le soudage au laser exige une grande précision dans la position d'assemblage de la pièce à usiner et que les matériaux de soudage doivent présenter une réflectivité et une conductivité thermique élevées, ainsi que d'autres propriétés.

Par conséquent, la mise en œuvre et l'application du soudage au laser dans le soudage des batteries lithium-ion sont devenues plus difficiles. Lors du soudage de la languette à la borne, la languette doit être plus fine que la borne du boîtier de la batterie, et les paramètres de traitement doivent être strictement contrôlés pour fournir suffisamment d'énergie de soudage sans pénétrer dans le boîtier de la batterie.

Soudage TIG par impulsion

Le soudage TIG pulsé (TungstenInertGas, soudage sous protection gazeuse au tungstène), également connu sous le nom de micro-TIG, est un procédé de soudage qui utilise des électrodes de tungstène sans fusion pour générer des arcs et qui fonctionne sous gaz inerte. Le procédé de soudage en batterie TIG à impulsion se caractérise par la simplicité de son fonctionnement, la beauté du cordon de soudure et sa haute qualité. Grâce au mécanisme de nettoyage du soudage TIG à impulsion, le film d'oxyde de résistance de l'alliage d'aluminium peut être nettoyé, ce qui le rend plus adapté au soudage de batteries aluminium-lithium.

De nombreux paramètres de processus affectent la qualité du soudage TIG pulsé, notamment le courant de soudage, la vitesse de soudage, la tension d'arc, la vitesse d'alimentation du fil de soudage, le diamètre de soudage et les facteurs d'exploitation. Pour le soudage TIG de l'alliage d'aluminium, la méthode univariée est utilisée pour étudier l'influence du courant de soudage, de la vitesse de soudage et de la vitesse d'alimentation du fil sur la qualité du soudage, telle que la profondeur de pénétration et la morphologie du soudage.

Les résultats ont montré que la profondeur de pénétration était positivement corrélée au courant de soudage, et négativement corrélée à la vitesse de soudage et à la vitesse d'alimentation du fil, et que le courant de soudage avait la plus grande influence sur la profondeur de pénétration. Combinés à la topographie de la surface, à la hauteur de la couche de revêtement et à la largeur de fusion, les paramètres optimisés du processus sont le courant de soudage de 125 A, la vitesse de soudage de 200 mm/min et la vitesse d'alimentation du fil de 1100 mm/min.

Parallèlement, certains chercheurs ont souligné qu'en raison de la chaleur élevée du soudage TIG par impulsion, l'alliage d'aluminium est susceptible de se déformer et de se fissurer, ce qui n'est pas propice au contrôle de la précision dimensionnelle du boîtier du système de batterie au lithium-ion et affecte la résistance du boîtier, et une défaillance de la connexion peut se produire lors de l'utilisation ultérieure par les utilisateurs. Par conséquent, dans le processus de production, il est nécessaire d'identifier les défauts possibles à l'avance et de les éviter.

Dans le processus de conception et de fabrication des systèmes de batteries au lithium, afin de sélectionner une technologie de soudage de batteries appropriée, plusieurs technologies de soudage de batteries idéales ont été analysées d'un point de vue multiple, comme la force de connexion, la résistance, la durabilité et le coût dans différents scénarios d'utilisation. Par exemple, pour la connexion au niveau du module composée de piles cylindriques et la connexion au niveau du module composée de piles à poche, les technologies de soudage idéales sont le soudage par ultrasons, le soudage au laser et le soudage TIG.

Conclusion

Avec le développement des véhicules électriques, le soudage des batteries au lithium a également beaucoup progressé. Afin de répondre à la demande de systèmes de batteries lithium-ion de haute qualité, il est nécessaire de mener des recherches techniques plus approfondies sur la technologie de soudage des batteries.

On estime qu'avec l'approfondissement de la recherche sur les technologies de connexion, les éléments de processus des différentes technologies de connexion deviennent plus clairs et le contrôle du processus de fabrication devient de plus en plus raffiné. La qualité du système de batterie lithium-ion est mieux assurée, ce qui permet aux véhicules électriques de franchir une nouvelle étape.