Soudure en métal ultrasonique pour lithium-ion cellules de batterie

Les trois articulations métalliques les plus courantes dans un lithium-ion Les batteries sont en feuille à onglet, onglet à l'onglet et onglet vers bus. Les trois articulations posent des problèmes d'adhésion, mais des trois, soudant plusieurs couches de feuille à un onglet sont les plus répandues. Le joint est souvent composé de métaux différents, l'épaisseur des métaux est incompatible et un côté (le onglet) est relativement épais (par exemple 0.2 mm) tandis que l'autre est composée de multiples, extrêmement minces, couches. L'image ci-dessous montre un schéma d'un grand format lithium-ion batterie cellule. La feuille de feuille à tabder est nécessaire pour rassembler toutes les plaques de collecteur actuelles (Foils) à l'intérieur de la cellule et rejoignez-les à un onglet qui quitte le boîtier de la cellule et permet au Cell's énergie à transférer à une source externe Il y a deux foil à des soudures d'onglets dans chaque cellule et des centaines de cellules dans un ion typique lithium-ion batterie pack. Parce que Parmi les connexions de la série et des parallèles, une échec d'une feuille à l'onglet compromettra la sortie de l'ensemble du pack, par conséquent, un processus de jonction robuste est requis.

Soudage en métal ultrasonique (UMW) a été évalué pour cette application Application. Un schéma du processus est montré ci-dessous. Le soudage aux métaux ultrasons est très capable de souder des combinaisons similaires et différentes de matériaux liés à la batterie telles que le cuivre, l'aluminium et le nickel. Les vibrations ultrasoniques, typiquement 20 à 40 mille hertz, sont utilisées pour frotter deux parties ensemble sous pression. L'action de nettoyage décompose l'oxyde et la contamination sur la surface et décompose les aspérités de surface créant deux «lisses», métal propre Surfaces. une fois ces Contact Sous la chaleur et la pression modérées, une soudure est formée.

Le processus a plusieurs Avantages. Depuis C'est un processus d'état solide, il peut être adapté à des combinaisons de matériaux différents et évite la plupart des préoccupations concernant la formation de Intermétallique composés. Il convient parfaitement à souder les matériaux hautement conducteurs utilisés dans les batteries, notamment en plaqué cuivre. Il ne nécessite pas de cycles de puissance élevés et de soudure sont très courts, des fractions d'un seconde. Il rejoint également plusieurs couches de matériaux minces en une seule opération.

Soudage à la fois de résistance (RSW) et soudure de faisceau laser (LBW) ont également été considérés, mais manquent de certains attributs qui font UMW un processus de jointure plus souhaitable pour le lithium-ion Batterie Application. RSW repose sur la résistance d'un matériau pour générer de la chaleur pour jointure. Cependant, les feuilles d'aluminium et de cuivre généralement utilisées dans l'industrie de la batterie ont une résistance extrêmement basse, en outre, des alliages d'aluminium forment une couche d'oxyde de surface robuste qui inhibe RSW et est encore aggravé par le fait que la couche d'oxyde est présente des deux côtés de chaque feuille couche. Umw ne s'appuie pas sur la résistance en vrac et nettoie intrinsèquement des couches d'oxyde dans le cadre du processus Processus. LBW est très sensible aux lacunes entre couches de matériau dans la soudure articulation. En règle générale, l'écart devrait être moins que 10% du matériau Épaisseur. REJOINDRE A 12 μM feuille serait besoin d'un 1.2 μm, ou moins, écart très difficile à atteindre et nécessite une fixation excessive. Parce que Umw est auto-serrure, les lacunes ne sont pas un problème.

un grand format typique lithium-ion la cellule utilise une feuille de cuivre comme collecteur de courant anode et aluminium comme courant de cathode collecteur; Par conséquent, le cuivre et l'aluminium ont été évalués avec le umw Processus. Les joints expérimentaux, comme indiqué dans l'image ci-dessus, étaient limités à des piles de matériaux similaires, ce qui signifie des feuilles d'aluminium ont été reliées sur des pattes d'aluminium et des feuilles de cuivre vers cuivre onglets. Les épaisseurs d'onglet ont été maintenues constantes à 0,005-pouce. Deux épaisseurs d'aluminium, 12 et 25 μm, et deux hauteurs de pile de feuille, 20 et 60 couches, ont été évaluées pour prouver la faisabilité et étudier les effets sur les propriétés articulaires lorsque l'épaisseur de feuille et le nombre de couches de feuille varie.

section transversale - 20 couches de cuivre mince

section transversale - 60 couches d'aluminium épais

L'analyse des sections transversales ci-dessus a fourni une apparence plus proche de la compression de feuille, des dommages au papier d'aluminium et de l'état final de la soudure Joint. Les échantillons avec diluant et moins de couches de feuille montrent une augmentation du mouvement de feuille directement adjacente à la zone de soudure Zone. En revanche, les échantillons avec des couches plus épaisses et plus de papier d'aluminium ont montré une consolidation des feuilles adjacentes à la zone de soudure entraînant souvent une plus grande bond région. La consolidation et l'augmentation de la région d'obligations ont eu lieu parce que Les piles d'aluminium plus épais sur l'outil de soudure provoquent la compression dans la zone adjacente à la zone de soudure Zone.

Conclusions:

Rejoindre plusieurs couches de feuilles minces sur une languette dans une seule opération de soudure de métal ultrasonique est faisable. Les soudures sont réalisables sans fracturer la feuille délicate couches. Le collage se produit à l'interface de l'aluminium à l'interface de l'onglet ainsi que sur chaque feuille à une interface d'aluminium, ce qui entraîne une forte et hautement conductrice électro-mécanique joint.

IR Vidéographie montre que toutes les articulations, à l'exception de l'échantillon de cuivre fabriqué à partir de 60 couches de 25 μm papier d'aluminium, resté moins de 60 ans ºC pendant Le cycle de soudure indiquant le processus ne fera pas de mal à la chaleur à proximité Composants.