激光焊接在鋰電池領域的應用

鋰離子電池由于具有比能量高、循環壽命長、自放電小、無記憶效應和無污染等優點，廣泛應用于各種電子設備（如移動電話、筆記本電腦、PDA、數碼相機及數碼攝像機等）以及交通工具（巡邏車、電動自行車、電動汽車等）上，成為我國能源領域重點支持的高新技術產業。

動力電池指應用于電動車的電池，是相對于小容量電池（如手機、筆記本電腦電池等）而言的，具有較大的容量和輸出功率，可用于電動車輛驅動電源及大型移動電源應用領域的二次電池。鋰離子電池或電池組的制作工序非常多，而其中有多道工序，如防爆閥密封焊接、極耳焊接、軟連接焊接、安全帽點焊、電池殼體密封焊接、模組及PACK焊接都以激光焊接為最佳工藝。動力電池用于焊接的材質主要有純銅、鋁及鋁合金、不銹鋼等。

圖表 1 激光焊接在鋰電池中的應用

圖片來源：OFweek研究中心

1、電池防爆閥焊接

電池的防爆閥是電池封口板上的薄壁閥體， 當電池內部壓力超過規定值時， 防爆閥閥體破裂， 避免電池爆裂。安全閥結構巧妙，這道工序對激光焊接工藝要求極為嚴格。沒有采用連續激光焊接之前，電池防爆閥的焊接都是采用脈沖激光器焊接，通過焊點與焊點的重疊和覆蓋來實現連續密封焊接，但焊接效率較低，且密封性相對較差。采用連續激光焊接可以實現高速高質量的焊接，焊接穩定性、焊接效率以及良品率都能夠得到保障。

2、電池極耳焊接

極耳通常分為三種材料，電池的正極使用鋁（Al）材料，負極使用鎳（Ni）材料或銅鍍鎳（Ni－Cu）材料。在動力電池的制造過程中，其中的一個環節是將電池極耳與極柱焊接到一起。在二次電池的制作中需要將其與另外一鋁制的安全閥焊接在一起。焊接不僅要保證極耳與極柱之間的可靠連接，而且要求焊縫平滑美觀。

3、電池極帶點焊

電池極帶使用的材質包括純鋁帶、鎳帶、鋁鎳復合帶以及少量的銅帶等。電池極帶的焊接一般使用脈沖焊接機，隨著IPG公司QCW準連續激光器的出現，其在電池極帶焊接上也得到了廣泛的應用，同時由于其光束質量好、焊斑能夠做到很小，其在應對高反射率的鋁帶、銅帶以及窄帶電池極帶（極帶寬度在1．5mm以下）的焊接有著獨特的優勢。

4、動力電池殼體與蓋板封口焊接

動力電池的殼體材料有鋁合金和不銹鋼，其中采用鋁合金的最多，一般為3003鋁合金，也有少數采用純鋁。不銹鋼是激光焊接性最好的材質，尤其304不銹鋼，無論是脈沖還是連續激光都能夠獲得外觀和性能良好的焊縫。

鋁及鋁合金的激光焊焊接性能根據采用焊接方式的不同而略有差異。除了純鋁和3系鋁合金采用脈沖焊接和連續焊接都沒有問題，其他系列鋁合金最優選擇連續激光焊接方式，以減小裂紋敏感性。同時，根據動力電池殼體厚度選擇合適功率的激光器，一般殼體厚度1mm以下時，可考慮采用1000W以內單模激光器，厚度在1mm以上需使用1000W以上單模或多模激光器。

小容量鋰電池常采用比較薄的鋁殼（厚度在0．25mm左右），也有18650之類的采用鋼殼。由于殼體厚度的關系，此類電池的焊接一般采用較低功率的激光器即可。使用連續激光器焊接薄殼鋰電池，效率可以提升5～10倍，且外觀效果和密封性更好。因此有逐漸取代脈沖激光器在這個應用領域的趨勢。

5、動力電池模組及pack焊接

動力電池之間的串并聯一般通過連接片與單體電池的焊接來完成，正負極材質不同，一般有銅和鋁2種材質，由于銅和鋁之間采用激光焊接后形成脆性化合物，無法滿足使用要求，通常采用超聲波焊接外，銅和銅、鋁和鋁一般均采用激光焊接。同時，由于銅和鋁傳熱均很快，且對激光反射率非常高，連接片厚度相對較大，因此需要采用較高功率的激光器才能夠實現焊接。