Ultraschall-Metallschweißen für Lithium-Ion Batteriezellen

Das drei häufigste Metall zu Metallverbindungen in einem Lithium-Ion Batteriepack ist zur Registerkarte, Registerkarte TAL, und Tab zu Bus. Alle drei Gelenke stellen die Herausforderungen des Beitritts an, aber von den drei, was mehrere Folienschichten auf eine Registerkarte zuschweißen, ist das meiste anspruchsvoll. Das Gelenk besteht oft aus unähnlichen Metallen, die Metalldicke ist unübertroffen, und eine Seite (die Tab) ist relativ dick (z. B. 0.2 mm) während der andere aus mehreren, extrem dünnen, Schichten besteht. Das Bild unten zeigt ein schematisches Bild eines großen Formats Lithium-Ion Batteriepack Zelle. Die Folie zu Tab-Weld ist erforderlich, um alle aktuellen Kollektorplatten (Folien) zu sammeln (Folien) Innerhalb der Zelle und teilnehmen Sie auf eine Registerkarte, die das Zellgehäuse verlässt und die Zelle Energie, um an eine externe Quelle zu übertragen zu werden. In jeder Zelle befinden sich zwei Folienfolien, und Hunderte von Zellen in einem typischen Lithium-Ion Batterie Packung. Weil Von den Serien- und Parallelanschlüssen etabliert ein Fehler in einer Folie zu Laschengelenk den Ausgang des gesamten Packs, daher ist ein robuster Verbindungsvorgang erforderlich.

Ultraschall-Metallschweißen (umw) wurde für diese spezielle Anwendung bewertet. Eine schematische Darstellung des Prozesses ist unten gezeigt. Ultraschallmetallschweißen ist sehr in der Lage, ähnliche und unähnliche Kombinationen von batteriebezogenen Materialien wie Kupfer, Aluminium und Nickel zu schweißen. Ultraschallschwingungen, typischerweise 20 bis 40 Tausend Hertz, werden verwendet, um zwei Teile unter dem Druck zu reiben. Die Schrubelswirkung bricht Oxid und Verunreinigungen auf der Oberfläche ab und bricht die Oberflächenaktivitäten ab, die zwei "glatte", saubere Metalloberflächen erstellen. Einmal diese Kontakt Unter mäßiger Wärme und Druck ist eine Schweißnaht gebildet.

Der Prozess hat mehrere Vorteile. Seit Es ist ein solider Zustandsprozess, es kann an unähnliche Materialkombinationen angepasst werden und vermeidet die meisten Anliegen zur Bildung von Intermetallic Verbindungen. Es eignet sich ideal für das Schweißen der hochleitfähigen Materialien, die in Batterien verwendet werden, einschließlich plattierter Kupfer. Es erfordern keine hohen Leistung und Schweißzyklen sind sehr kurz, Fraktionen von A Es tritt auch mehrere dünne Materialschichten in einem an.

Beide Widerstandsfleckschweißen (RSW) und Laserstrahlschweißen (LBW) wurden auch berücksichtigt, fehlt jedoch bestimmte Attribute, die umw ein wünschenswerterer Verbindungsvorgang für das Lithium-Ion Batterie Anwendung. Rsw beruht auf den Widerstand eines Materials, um Wärme zu erzeugen, um sich zu verbinden. Die in der Batteriebranche verwendeten Aluminium- und Kupferfolien haben jedoch extrem niedrigem Widerstand, zusätzlich bilden Aluminiumlegierungen eine harte Oberflächenoxidschicht, die RSW und wird weiter durch die Tatsache zusammengesetzt, dass die Oxidschicht auf beiden Seiten jeder Folie der Folie vorhanden ist. Umw Verließ nicht auf der Bulkwiderstand und schenkt inhärent die Oxidschichten als Teil des Prozess. LBW ist sehr empfindlich auf Lücken zwischen Materialschichten in der Schweißnaht. als allgemeine Faustregel der Lücke sollte weniger sein, als 10% des Materials Dicke. Verbinden von 12 μm Folie würde erfordern ein 1.2 μm oder weniger Lücke, die sehr schwer zu erreichen ist und übermäßig übertrieben wird. Weil Umw ist selbstklemmend, Lücken sind keine Ausgabe.

Ein typisches großes Format Lithium-Ion Zelle verwendet Kupferfolie als Anodenstromkollektor und Aluminium als Kathodenstrom Kollektor; Daher wurden sowohl Kupfer als auch Aluminium mit dem umw bewertet Prozess. Die experimentellen Verbindungen, wie in dem obigen Bild dargestellt, waren nur auf ähnliche Materialstapel begrenzt, was Aluminiumfolien mit Aluminiumlaschen und Kupferfolien zu Kupfer-Tabs verbunden waren. Die Laschenstärken wurden konstant bei 0,005-Zoll. Zwei Folienstärken, 12 und 25 μm, und zwei Folienstapelhöhen, 20 und 60 Schichten wurden bewertet, um die Durchführbarkeit zu erweisen und die Auswirkungen auf Gelenkeigenschaften als Foliendicke und Anzahl der Folienschichten zu untersuchen.

Querschnitt - 20 Schichten dünnem Kupfer

Querschnitt - 60 Schichten dicker Aluminium

Die Analyse der obigen Querschnitte lieferte ein näherer Blick auf Folienkompression, Folienschäden und den endgültigen Zustand der Schweißnaht. Die Proben mit dünneren und weniger Schichten der Folie zeigen eine Erhöhung der Folienbewegung direkt neben der Schweißnahtzone. Im Gegensatz dazu zeigten die Proben mit dickeren und stärkeren Folienschichten eine Konsolidierung der neben der Schweißzone, die häufig zu einer größeren Bindung in Bezug auf eine größere Bindung führte. Die Konsolidierung und Erhöhung der Bondregion trat auf, weil Die dickeren Folienstapel sind an dem Schweißwerkzeug ausgeschüttet, wodurch die Kompression in dem Bereich neben der Schweißnahtzone verursacht wird.

Schlussfolgerungen:

Verbinden von mehreren Schichten dünner Folien auf einer Lasche in einem einzigen Ultraschall-Metall-Schweißungsvorgang ist realisierbar. Die Schweißnähte sind erreichbar, ohne die zarten Folie zu fördern. Das Bonding erfolgt an der Folie zur Tab-Schnittstelle sowie an jeder Folie zur Folienschnittstelle, die zu einem starken, hochleitenden, elektromechanischen Gelenk.

IR Videografie zeigt, dass alle Gelenke mit Ausnahme der Kupferprobe aus 60 Schichten von 25 μm Folie, blieb unter 60 ºC während Der Schweißzyklus, der anzeigt, dass der Prozess angibt, schließt nicht nahe gelegene wärmeempfindliche Komponenten.