Giới thiệu phương pháp và quy trình hàn pin lithium-ion điện

Việc lựa chọn hợp lý các phương pháp và quy trình hàn trong quy trình sản xuất pin lithium điện sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến giá thành, chất lượng, độ an toàn và tính nhất quán của pin. Tiếp theo hãy sắp xếp nội dung về hàn pin lithium điện.

1. Nguyên lý hàn Laser

Hàn laser sử dụng tính định hướng tuyệt vời và mật độ năng lượng cao của chùm tia laser để hoạt động. Thông qua hệ thống quang học, chùm tia laser tập trung vào một vùng rất nhỏ, hình thành vùng nguồn nhiệt tập trung cao độ tại mối hàn trong thời gian rất ngắn, từ đó làm nóng chảy vật hàn và tạo thành mối hàn và đường hàn rắn chắc.

2. Kiểu hàn laser

Hàn dẫn nhiệt và hàn xuyên sâu

Hàn dẫn nhiệt bằng laser được tạo ra với mật độ năng lượng laser là 105-106w/cm2 và hàn xuyên sâu bằng laser được tạo ra với mật độ năng lượng laser là 105-106w/cm2

Hàn xuyên thấu và hàn đường may

Hàn xuyên, kết nối các mảnh không cần đục lỗ và việc xử lý tương đối đơn giản. Hàn xuyên thấu đòi hỏi một máy hàn laser công suất cao. Độ sâu thâm nhập của hàn xuyên thấp hơn so với hàn đường may và độ tin cậy của nó tương đối kém.

So với hàn xuyên, hàn đường may chỉ cần máy hàn laser công suất nhỏ hơn. Độ sâu thâm nhập của hàn đường may cao hơn so với hàn xuyên thấu và độ tin cậy của nó tương đối tốt. Nhưng phần kết nối cần phải được đục lỗ nên việc xử lý tương đối khó khăn.

Mẫu hàn xung laser

Hàn laser liên tục các mẫu

Trong quá trình hàn pin lithium điện, kỹ thuật viên quy trình hàn sẽ chọn các thông số quy trình hàn và laser thích hợp dựa trên chất liệu, hình dạng, độ dày, yêu cầu về độ bền của pin, v.v., bao gồm tốc độ hàn, dạng sóng, giá trị cực đại và góc nghiêng của đầu hàn, thiết lập các thông số quá trình hàn hợp lý để đảm bảo hiệu quả hàn cuối cùng đáp ứng yêu cầu của nhà sản xuất pin lithium điện.

Năng lượng tập trung, hiệu quả hàn cao, độ chính xác xử lý cao và tỷ lệ chiều sâu và chiều rộng mối hàn lớn. Chùm tia laser dễ dàng hội tụ, căn chỉnh và được dẫn hướng bằng các dụng cụ quang học. Nó có thể được đặt ở khoảng cách thích hợp với phôi và có thể được dẫn hướng giữa các đồ đạc hoặc chướng ngại vật xung quanh phôi. Các phương pháp hàn khác không thể được sử dụng đầy đủ do những hạn chế về không gian nói trên.

Nhiệt lượng đầu vào nhỏ, vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ, ứng suất dư và biến dạng của phôi nhỏ; Năng lượng hàn có thể được kiểm soát chính xác, hiệu quả hàn ổn định và hình thức hàn tốt;

Hàn không tiếp xúc, truyền dẫn cáp quang, khả năng tiếp cận tốt và mức độ tự động hóa cao. Khi hàn dây mỏng hoặc mảnh sẽ không xảy ra hiện tượng nóng chảy lại như hàn hồ quang. Các cell pin được sử dụng để cấp nguồn cho pin lithium, do nguyên lý nhẹ nên thường được làm bằng vật liệu nhôm nhẹ hơn và mỏng hơn. Nói chung, vỏ, nắp và đáy được yêu cầu phải dưới 1,0mm và các nhà sản xuất chính thống hiện có độ dày vật liệu cơ bản là khoảng 0,8mm.

Những khó khăn trong quá trình hàn laser

Hiện nay, vỏ pin hợp kim nhôm chiếm hơn 90% tổng lượng pin lithium. Khó khăn của việc hàn nó nằm ở độ phản xạ cực cao của hợp kim nhôm với tia laser, độ nhạy cao của lỗ khí trong quá trình hàn và không thể tránh khỏi một số vấn đề và khuyết tật trong quá trình hàn, trong đó quan trọng nhất là lỗ khí, vết nứt nóng, và vụ nổ.

Trong quá trình hàn laser hợp kim nhôm, có hai loại lỗ chân lông quan trọng dễ xảy ra: lỗ chân lông hydro và lỗ chân lông do bong bóng vỡ. Do tốc độ làm nguội nhanh của hàn laser nên vấn đề lỗ khí hydro nghiêm trọng hơn, ngoài ra còn có thêm một loại lỗ do sự sụp đổ của các lỗ nhỏ trong hàn laser.

Vấn đề crack nóng. Hợp kim nhôm là loại hợp kim eutectic điển hình, dễ bị nứt nóng trong quá trình hàn, bao gồm các vết nứt kết tinh mối hàn và vết nứt hóa lỏng HAZ. Do sự phân ly thành phần trong vùng hàn, xảy ra sự phân ly eutectic và xảy ra hiện tượng nóng chảy ranh giới hạt. Trong điều kiện ứng suất, các vết nứt hóa lỏng hình thành ở ranh giới thớ, làm giảm hiệu suất của mối hàn.

Vấn đề cháy nổ (còn gọi là bắn tung tóe). Có nhiều yếu tố có thể gây ra vụ nổ, chẳng hạn như độ sạch của vật liệu, độ tinh khiết của vật liệu và đặc tính của vật liệu. Công dụng quyết định là sự ổn định của tia laser. Bề mặt lồi lõm, có lỗ xốp và có bong bóng bên trong vỏ. Nguyên nhân chính là do đường kính lõi sợi quang quá nhỏ hoặc năng lượng laser được đặt quá cao. Không phải một số nhà cung cấp thiết bị laser khẳng định rằng chất lượng chùm tia càng tốt thì hiệu quả hàn càng tốt. Chất lượng chùm tia tốt phù hợp cho hàn lớp phủ với độ sâu xuyên thấu lớn hơn. Tìm các thông số quy trình phù hợp là chìa khóa để giải quyết vấn đề.

Những khó khăn khác

Hàn tai cực gói mềm đòi hỏi yêu cầu thiết bị hàn cao và tai cực phải được ép chặt để đảm bảo khe hở hàn. Nó có thể đạt được tốc độ hàn cao theo các quỹ đạo phức tạp như hình chữ S và hình xoắn ốc, tăng diện tích mối hàn và tăng cường độ bền hàn.

Việc hàn các cell pin hình trụ rất quan trọng đối với việc hàn điện cực dương. Do lớp vỏ mỏng của điện cực âm nên cực kỳ dễ hàn xuyên qua. Hiện nay, một số nhà sản xuất sử dụng quy trình hàn không dùng điện cực âm, trong khi điện cực dương sử dụng hàn laser.

Khi hàn tổ hợp pin vuông, cực hoặc miếng nối bị nhiễm bẩn và dày. Khi hàn phần kết nối, các chất ô nhiễm bị phân hủy, dễ hình thành các điểm nổ hàn và gây ra lỗ thủng; Pin có cực mỏng và các thành phần cấu trúc bằng nhựa hoặc gốm bên dưới dễ bị hàn xuyên qua. Khi cực nhỏ, mối hàn cũng dễ bị lệch, gây hư hỏng nhựa, tạo thành điểm nổ. Không sử dụng đầu nối nhiều lớp vì giữa các lớp có lỗ rỗng, khó hàn chắc chắn.

Quá trình quan trọng nhất trong quá trình hàn pin vuông là đóng gói vỏ vỏ, được chia thành hàn vỏ trên và hàn vỏ dưới theo các vị trí khác nhau. Một số nhà sản xuất pin sử dụng công nghệ vẽ sâu để sản xuất vỏ pin do khối lượng pin họ sản xuất nhỏ, chỉ cần hàn nắp trên.

Mẫu hàn bên pin lithium công suất vuông

Phương pháp hàn pin vuông chủ yếu được chia thành hàn bên và hàn đỉnh. Ưu điểm quan trọng của hàn bên là ít tác động đến bên trong pin và các tia bắn sẽ không dễ dàng lọt vào bên trong của nắp vỏ. Do có khả năng bị lồi lõm sau khi hàn có thể ảnh hưởng nhẹ đến quá trình lắp ráp sau này nên quá trình hàn mặt bên đòi hỏi độ ổn định cực cao của tia laser và độ sạch của vật liệu. Quá trình hàn đỉnh, do hàn trên một bề mặt, có yêu cầu tương đối thấp về tích hợp thiết bị hàn và sản xuất hàng loạt đơn giản. Tuy nhiên, cũng có hai nhược điểm. Thứ nhất, có thể có một lượng nhỏ tia bắn vào pin trong quá trình hàn và thứ hai, yêu cầu xử lý cao đối với phần phía trước của vỏ có thể dẫn đến các vấn đề về chi phí.

5. Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng mối hàn

Hàn laser hiện là một phương pháp quan trọng được khuyến khích sử dụng để hàn pin cao cấp. Hàn laser là quá trình chiếu tia laser năng lượng cao lên phôi, làm nhiệt độ làm việc tăng mạnh, làm nóng chảy và kết nối lại phôi để tạo thành kết nối vĩnh viễn. Hàn laser có độ bền cắt tốt và khả năng chống rách. Các tiêu chí đánh giá chất lượng hàn pin bao gồm độ dẫn điện, độ bền, độ kín khí, độ mỏi kim loại và khả năng chống ăn mòn.

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hàn laser. Một số trong số chúng rất dễ bay hơi và có sự bất ổn đáng kể. Làm thế nào để thiết lập và kiểm soát các thông số này một cách chính xác để có thể kiểm soát chúng trong phạm vi phù hợp trong quá trình hàn laser tốc độ cao và liên tục, nhằm đảm bảo chất lượng mối hàn. Độ tin cậy và ổn định của quá trình hình thành mối hàn là những vấn đề quan trọng liên quan đến tính thực tiễn và công nghiệp hóa của công nghệ hàn laser. Các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng hàn laser bao gồm thiết bị hàn, tình trạng phôi và các thông số quy trình.

1) Thiết bị hàn

Các yêu cầu chất lượng quan trọng nhất đối với tia laser là chế độ chùm tia, công suất đầu ra và độ ổn định. Chế độ chùm tia là một chỉ báo quan trọng về chất lượng chùm tia. Thứ tự của chế độ chùm tia càng thấp thì hiệu suất lấy nét của chùm tia càng tốt, điểm càng nhỏ, mật độ năng lượng càng cao dưới cùng một công suất laser và độ sâu và chiều rộng của đường hàn càng lớn. Nói chung, cần có chế độ cơ bản (TEM{0}}) hoặc chế độ bậc thấp hơn, nếu không sẽ khó đáp ứng yêu cầu hàn laser chất lượng cao. Hiện nay, laser trong nước vẫn gặp những khó khăn nhất định về chất lượng chùm tia và độ ổn định công suất đầu ra cho hàn laser. Từ góc độ các tình huống nước ngoài, chất lượng chùm tia và độ ổn định công suất đầu ra của laser vốn đã khá cao và sẽ không trở thành vấn đề trong hàn laser. Yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến chất lượng hàn trong hệ thống quang học là thấu kính lấy nét, thường sử dụng tiêu cự trong khoảng từ 127mm (5in) đến 200mm (7,9in). Tiêu cự nhỏ có lợi cho việc giảm đường kính điểm thắt của chùm tia hội tụ, nhưng tiêu cự quá nhỏ có thể dễ dẫn đến hư hỏng do nhiễm bẩn và bắn tung tóe trong quá trình hàn.

Bước sóng càng ngắn thì tốc độ hấp thụ càng cao; Nói chung, vật liệu có độ dẫn điện tốt có độ phản xạ cao. Đối với laser YAG, độ phản xạ của bạc là 96%, nhôm là 92%, đồng là 90% và sắt là 60%. Nhiệt độ càng cao thì tốc độ hấp thụ càng cao, thể hiện mối quan hệ tuyến tính; Nói chung, lớp phủ bề mặt bằng phốt phát, muội than, than chì, v.v. có thể cải thiện tốc độ hấp thụ.

2) Tình trạng phôi

Hàn laser yêu cầu xử lý các cạnh của phôi, với độ chính xác lắp ráp cao, căn chỉnh chặt chẽ giữa điểm và đường hàn, đồng thời độ chính xác lắp ráp ban đầu và căn chỉnh điểm của phôi không thể thay đổi do biến dạng nhiệt hàn trong quá trình hàn. Điều này là do điểm laser nhỏ và đường hàn hẹp. Nói chung, không có kim loại phụ nào được thêm vào. Nếu cụm lắp ráp không chặt và khe hở quá lớn, chùm tia có thể đi qua khe hở và không thể làm nóng chảy vật liệu nền hoặc gây ra hiện tượng khoét hoặc lõm rõ ràng. Nếu độ lệch giữa điểm và đường may hơi lớn, có thể gây ra phản ứng tổng hợp không hoàn toàn hoặc hàn không hoàn toàn. Do đó, khoảng cách giữa đế và cụm bo mạch chung và độ lệch của căn chỉnh điểm không được vượt quá {0}}.1mm và độ lệch không được vượt quá 0,2mm. Trong thực tế sản xuất, đôi khi công nghệ hàn laser không thể sử dụng được do không thể đáp ứng được các yêu cầu này. Để đạt được kết quả hàn tốt, khe hở cho phép khi lắp ghép và chồng lên nhau phải được kiểm soát trong phạm vi 10% độ dày của tấm mỏng.

Hàn laser thành công đòi hỏi sự tiếp xúc chặt chẽ giữa chất nền hàn. Điều này đòi hỏi phải siết chặt các bộ phận một cách cẩn thận để đạt được kết quả tối ưu. Và điều này khó có thể thực hiện tốt trên đế tai cực mỏng vì dễ bị cong lệch, đặc biệt khi tai cực được nhúng vào các mô-đun hoặc linh kiện pin lớn.

3) Thông số hàn

1) Yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến các thông số hàn của chế độ hàn laser và sự hình thành mối hàn ổn định là mật độ năng lượng của điểm laser. Tác động của nó đến chế độ hàn và độ ổn định của hình thành mối hàn như sau: khi mật độ năng lượng của điểm laser tăng lên, nó trở thành hàn dẫn nhiệt ổn định, chế độ hàn không ổn định và hàn xuyên sâu ổn định.

Mật độ công suất của điểm laser được xác định bởi công suất laser và vị trí của tiêu điểm chùm tia, cho một chế độ chùm tia nhất định và tiêu cự của gương lấy nét. Mật độ năng lượng laser tỷ lệ thuận với công suất laser. Ảnh hưởng của vị trí tiêu điểm có giá trị tối ưu; Khi tiêu điểm của chùm tia ở một vị trí nhất định bên dưới bề mặt phôi (trong phạm vi 1-2mm, tùy thuộc vào độ dày tấm và các thông số), có thể thu được đường hàn lý tưởng nhất. Việc lệch khỏi vị trí lấy nét tối ưu này sẽ làm tăng điểm bề mặt của phôi, làm giảm mật độ năng lượng. Trong một phạm vi nhất định sẽ gây ra sự thay đổi về hình thức của quá trình hàn.

Ảnh hưởng của tốc độ hàn đến hình dạng và độ ổn định của quá trình hàn không đáng kể bằng công suất laser và vị trí tiêu điểm. Chỉ khi tốc độ hàn quá cao thì việc không thể duy trì quá trình hàn xuyên sâu ổn định do nhiệt lượng đầu vào thấp mới xảy ra. Trong quá trình hàn thực tế, nên lựa chọn phương pháp hàn xuyên sâu ổn định hoặc hàn dẫn nhiệt ổn định dựa trên yêu cầu của mối hàn về độ sâu xuyên kim, tuyệt đối ngăn chặn chế độ hàn không ổn định.

(2) Trong phạm vi hàn xuyên sâu, ảnh hưởng của các thông số hàn đến độ sâu xuyên: trong phạm vi hàn xuyên sâu ổn định, công suất laser càng cao thì độ sâu xuyên sâu càng lớn, với mối quan hệ xấp xỉ 0 .7 sức mạnh; Tốc độ hàn càng cao thì độ sâu thâm nhập càng nông. Khi tiêu điểm ở vị trí tối ưu trong điều kiện công suất laser và tốc độ hàn nhất định, độ sâu thâm nhập tối đa sẽ xảy ra. Nếu nó lệch khỏi vị trí này, độ sâu thâm nhập sẽ giảm và thậm chí mối hàn dẫn nhiệt không ổn định hoặc không ổn định.

(3) Tác dụng của khí bảo vệ, công dụng quan trọng của nó là bảo vệ phôi khỏi bị oxy hóa trong quá trình hàn; Bảo vệ thấu kính lấy nét khỏi ô nhiễm hơi kim loại và bắn tung tóe các giọt chất lỏng; Phân tán plasma được tạo ra bằng hàn laser công suất cao; Làm mát phôi và giảm vùng ảnh hưởng nhiệt.

Khí bảo vệ thường là argon hoặc helium, và nitơ cũng có thể được sử dụng cho những loại có yêu cầu thấp về chất lượng biểu kiến. Xu hướng tạo ra plasma của chúng khác nhau đáng kể: khí helium, do điện tích ion hóa cao và độ dẫn nhiệt nhanh, có xu hướng tạo ra plasma nhỏ hơn khí argon trong cùng điều kiện, do đó thu được độ nóng chảy lớn hơn. Trong một phạm vi nhất định, khi tốc độ dòng khí bảo vệ tăng lên, xu hướng ức chế plasma tăng lên, dẫn đến độ sâu nóng chảy tăng lên. Tuy nhiên, khi đạt đến một phạm vi nhất định thì nó có xu hướng ổn định.

(4) Phân tích giám sát từng thông số: Trong số bốn thông số hàn, tốc độ hàn và tốc độ dòng khí bảo vệ dễ theo dõi và duy trì sự ổn định, trong khi công suất laser và vị trí lấy nét là những thông số có thể dao động trong quá trình hàn và khó theo dõi . Mặc dù công suất laser phát ra từ laser có độ ổn định cao và dễ theo dõi nhưng công suất laser tới phôi sẽ thay đổi do mất hệ thống dẫn hướng và lấy nét. Sự mất mát này liên quan đến chất lượng, thời gian sử dụng và ô nhiễm bề mặt của phôi quang học, gây khó khăn cho việc giám sát và trở thành yếu tố không chắc chắn về chất lượng mối hàn. Vị trí tiêu điểm của chùm tia là một trong những thông số hàn có ảnh hưởng lớn đến chất lượng mối hàn và khó theo dõi, kiểm soát nhất. Hiện nay, trong sản xuất cần dựa vào việc điều chỉnh thủ công và lặp lại quá trình thí nghiệm để xác định vị trí tiêu điểm phù hợp nhằm đạt được độ sâu thâm nhập mong muốn. Tuy nhiên, trong quá trình hàn, do biến dạng phôi, hiệu ứng thấu kính nhiệt hoặc hàn đường cong không gian đa chiều, vị trí tiêu điểm có thể thay đổi và vượt quá phạm vi cho phép.

Liên quan đến hai tình huống trên, một mặt, nên sử dụng và bảo trì thường xuyên các linh kiện quang học chất lượng cao, ổn định để ngăn ngừa ô nhiễm và giữ sạch sẽ; Mặt khác, cần phát triển các phương pháp giám sát và điều khiển thời gian thực cho quá trình hàn laser, nhằm tối ưu hóa các thông số, theo dõi sự thay đổi công suất laser và vị trí tiêu điểm tiếp cận phôi, đạt được điều khiển vòng kín và nâng cao độ tin cậy. và sự ổn định của chất lượng hàn laser.

Cuối cùng, cần lưu ý rằng hàn laser là một quá trình nóng chảy. Điều này có nghĩa là hai chất nền sẽ tan chảy trong quá trình hàn laser. Quá trình này diễn ra nhanh chóng nên tổng lượng nhiệt đầu vào thấp. Nhưng vì đây là quá trình nóng chảy nên các hợp chất liên kim loại có độ bền cao, giòn có thể hình thành khi hàn các vật liệu khác nhau. Sự kết hợp giữa nhôm đồng đặc biệt dễ hình thành các hợp chất liên kim loại. Các hợp chất này đã được chứng minh là có tác động tiêu cực đến các tính chất cơ học và điện ngắn hạn của các mối nối thiết bị vi điện tử. Tác động của các hợp chất liên kim loại này đến hiệu suất lâu dài của pin lithium-ion vẫn chưa chắc chắn.