Figura 1: Configuració de soldadura làser per a mòduls de bateries d'ions de liti-cilíndrics. (Font de la imatge: Photon Automation)
Les bateries cilíndriques d'ions de liti-(com els models 18650, 21700 i 4680 més grans) s'utilitzen àmpliament en electrònica portàtil, eines elèctriques, sistemes d'emmagatzematge d'energia i, especialment, vehicles elèctrics a causa de la seva alta densitat d'energia, disseny estandarditzat i fiabilitat provada. Aquestes bateries solen emprar acer-níquel (Hilumin) com a material de la carcassa, ja que el recobriment de níquel proporciona resistència a la corrosió mentre que el substrat d'acer garanteix la resistència estructural per suportar la pressió interna i l'estrès mecànic.
Per satisfer els requisits específics de disseny i rendiment, unes cel·les cilíndriques de 46 mm de diàmetre utilitzen diferents materials de carcassa com l'alumini i l'acer-níquel. Un repte crític durant la fabricació de mòduls o paquets de bateries és soldar alumini i acer junts, a causa de diferències significatives en les seves propietats tèrmiques i el comportament de la soldadura.
La construcció de mòduls o paquets de bateries cilíndriques implica disposar les cèl·lules (unitats de bateries individuals) en un patró específic i connectar-les en sèrie o en paral·lel segons els requisits de tensió i corrent de l'aplicació. Aquesta configuració permet als fabricants personalitzar la capacitat global d'energia i la potència de sortida del paquet de bateries per satisfer les demandes d'aplicacions específiques, com ara vehicles elèctrics o sistemes d'emmagatzematge d'energia estacionaris. Les cèl·lules solen estar interconnectades mitjançant barres d'alumini amb un gruix de 0,3 a 0,6 mm, que després es solden amb làser-per aconseguir connexions elèctriques fiables (vegeu la figura 1). L'acer niquelat-que s'utilitza per a carcasses de bateries generalment té un gruix de 0,4 a 0,6 mm, depenent del disseny de la cèl·lula i de la marca del fabricant.
En aplicacions de vehicles elèctrics, les soldadures que connecten les barres d'alumini a les cèl·lules de la bateria han de mantenir una gran integritat estructural i conductivitat elèctrica en condicions dinàmiques severes, com ara xocs, vibracions i cicles tèrmics. Per tant, la soldadura làser precisa i fiable és fonamental per al rendiment i la seguretat a llarg termini-de la bateria. La soldadura làser és excepcionalment adequada-per a aquest escenari de muntatge. Produeix juntes netes i d'alta-resistència amb poca entrada de calor i una distorsió mínima. Aquestes característiques són vitals per superar els reptes inherents a la soldadura d'alumini a acer niquelat-.
Formació de compostos intermetàl·lics fràgils (IMC)
El repte principal durant la soldadura és la formació de compostos intermetàl·lics fràgils (IMC), que redueixen significativament la força de les articulacions i la conductivitat elèctrica. Aquest problema deriva de les diferents propietats de l'alumini i l'acer, especialment les seves diferents respostes tèrmiques: l'alumini es fon i s'expandeix més ràpidament que l'acer, generant tensions tèrmiques que afavoreixen el creixement de l'IMC durant la soldadura. Aquests IMC-com els compostos de ferro-alumini FeAl₃ i Fe₂Al₅{-normalment presenten textures fràgils que debiliten la resistència de les unions, donant lloc a l'inici d'esquerdes, una resistència reduïda i una major susceptibilitat a la corrosió.
La formació i el volum total d'IMC durant la soldadura afecten de manera crítica la qualitat de la soldadura i el rendiment-a llarg termini. A mesura que augmenta el volum de l'IMC, la fragilitat de les articulacions s'intensifica, la resistència mecànica disminueix i augmenta la probabilitat de fallada induïda per l'estrès-. Una penetració més profunda de la soldadura normalment augmenta el volum total de l'IMC, subratllant la necessitat d'un control precís dels paràmetres de soldadura per garantir una gran resistència, fiabilitat i durabilitat de la junta.
Una investigació àmplia indica que el manteniment d'una capa IMC prima i uniforme (normalment de 2 µm a 10 µm) produeix una major resistència a la tracció. Aquestes capes fines permeten una unió metal·lúrgica efectiva alhora que minimitzen la fragilitat de les unions. Tanmateix, quan la capa IMC supera els 15 µm de gruix, la seva fragilitat sovint condueix a una resistència a la tracció reduïda a causa de la susceptibilitat a l'inici de les esquerdes i la propagació sota càrrega (vegeu la figura 2).
Figura 2: Efecte del gruix de la capa IMC sobre la resistència a la tracció. (Font de la imatge: H. He et al.) [1]
Per abordar aquest problema, un enfocament més eficaç és augmentar l'àrea d'interfície de soldadura en lloc de confiar únicament en una major profunditat de penetració. L'ampliació de l'àrea d'interfície millora la unió metal·lúrgica alhora que limita el volum global de l'IMC. Això redueix la fragilitat i afavoreix una distribució més uniforme de l'esforç a l'articulació, millorant així la fiabilitat. Aquest efecte es pot aconseguir combinant polsos làser amb tecnologia d'escaneig de feix per controlar amb precisió l'entrada de calor i la formació d'interfícies, minimitzant el creixement IMC.
Photon Automation ha desenvolupat controladors avançats de pols i potència capaços de controlar de precisió a nivell de microsegons- sobre làsers, que permeten una configuració de pols personalitzada. En ajustar-la forma del pols, es redueix l'estrès tèrmic localitzat, es conserven les propietats mecàniques ideals del material, es minimitza la-zona afectada per la calor (HAZ) i s'allarga la vida útil de les peces. El WonderBOARD de l'empresa també s'enllaça amb controladors de mirall Galvo, permetent una distribució uniforme de l'energia làser entre les peces de treball. Això evita els punts calents i l'escalfament desigual causats pel ràpid moviment del feix.
Control de pols làser i oscil·lació del feix per a la formació d'IMC
Els làsers polsats ofereixen un control de l'entrada tèrmica superior, reduint els riscos de sobre{0}}fusió o esquitxades. Els intervals de refrigeració entre polsos minimitzen l'acumulació de calor, ajudant a prevenir defectes com ara la cremada-o la distorsió. Per a la soldadura de material prim-o unió metàl·lica diferent (p. ex., alumini-a-acer), la tecnologia de pols també millora l'estabilitat de la piscina fosa.
L'escaneig dinàmic del raig làser a través de la zona de soldadura mitjançant un galvanòmetre garanteix una distribució uniforme d'energia. Això evita els efectes de vora (penetració excessiva, socavació o punts calents causats per una permanència prolongada a l'inici/final del camí de soldadura). La tecnologia d'oscil·lació també permet perfils de soldadura personalitzats (per exemple, circulars, helicoïdals o dents de serra) per millorar la resistència mecànica i la uniformitat de les unions.
La combinació de pols i oscil·lació crea un entorn de soldadura altament controlable que minimitza els gradients tèrmics, optimitza l'enllaç metal·lúrgic i garanteix una distribució més uniforme de les tensions. Aquest enfocament és especialment crític en la fabricació de bateries, ja que permet un control precís de l'energia per evitar danyar components sensibles o zones aïllades.
El segon repte consisteix a aconseguir un posicionament precís de la soldadura i una qualitat de soldadura constant.
En els dissenys de cel·les cilíndriques, tant els elèctrodes positius com els negatius resideixen a la superfície superior-la tapa de l'elèctrode central serveix com a elèctrode positiu, mentre que la regió anular circumdant funciona com a elèctrode negatiu. Aquest disseny restringeix l'àrea de soldadura disponible, exigint una precisió extrema en el posicionament làser. Fins i tot una desalineació menor pot provocar una resistència insuficient de la soldadura, danys interns o curtcircuits, tot això augmenta el risc de fallada cel·lular i, en casos greus, pot desencadenar una fuga tèrmica.
Durant el muntatge, aquests mòduls de bateries solen contenir centenars de cel·les ben empaquetades. Les variacions menors en l'alçada de la cèl·lula causades per les toleràncies de fabricació o la manipulació poden provocar un contacte desigual entre la barra colectora o l'eina de soldadura i les cèl·lules. Si no s'aborda correctament, aquest contacte inconsistent provoca una qualitat de soldadura fluctuant, connexions elèctriques deficients i problemes de rendiment-a llarg termini.
Per superar aquests reptes, els fabricants confien en dos sistemes bàsics: sistemes de visió i tomografia de coherència òptica (OCT).
Els sistemes de visió detecten i localitzen el terminal positiu (tapa central) i el terminal negatiu (anell exterior/vora) de cada cel·la cilíndrica. A més, els sistemes de visió compensen les variacions/toleràncies de cèl·lula-a-cel·la a{2} i les desviacions d'alineació de l'aparell, guiant el raig làser a la posició de soldadura correcta alhora que eviten el contacte amb les capes d'aïllament o les zones de vora. Això permet una soldadura coherent i d'alta-precisió en mòduls que contenen centenars de cèl·lules.
L'OCT mesura l'alçada de cada cel·la abans de la soldadura per detectar les més petites variacions d'alçada. Ajusta dinàmicament la posició del focus làser mitjançant una lent col·limadora impulsada elèctricament, assegurant que el làser se centra constantment en el pla de soldadura precís. Això millora la qualitat i la fiabilitat de la soldadura en entorns de producció automatitzats on poden existir variacions d'alçada menors entre les cèl·lules dins d'un mòdul de bateria.
Monitorització del procés de soldadura i adquisició de dades: la base de la IA
La implementació d'un sistema de monitorització de soldadura làser (LWM) és un pas crític per aconseguir un control de processos basat en IA{0}}. Durant la interacció del material làser-, l'energia s'allibera de múltiples formes: radiació de plasma (longitud d'ona ultraviolada), radiació tèrmica (longitud d'ona infraroja), retroreflexió (longitud d'ona real del làser) i potència del làser transmesa a través dels components òptics. Cadascun d'aquests senyals conté informació valuosa sobre els paràmetres del procés de soldadura.
Els sensors basats en fotodiode-capten aquesta informació de radiació en temps real i la comparen amb dades de referència per a soldadures d'alta-qualitat. Aquesta adquisició contínua de dades ajuda a identificar defectes com ara la manca de fusió, les soldadures perdudes o la profunditat de penetració inconsistent. Amb el pas del temps, l'acumulació de dades de procés d'alta-resolució proporciona la base per entrenar models d'IA. Aquests models poden detectar patrons, predir errors i permetre l'optimització de-bucle tancat del procés de soldadura.
Validació de desenvolupament de processos per a la qualitat de la soldadura
En la soldadura làser de bateries cilíndriques d'ions de liti-, garantir la integritat de les soldadures internes és fonamental per salvaguardar la seguretat i el rendiment de la bateria. Durant la soldadura, s'ha de prestar especial atenció a la protecció de qualsevol material plàstic o de cautxú sota la superfície superior: una entrada de calor excessiva, paràmetres làser inadequats o una profunditat de penetració excessiva poden danyar les capes d'aïllament subjacents o els components estructurals de plàstic/cautxú, provocant curtcircuits, fuites, fallades mecàniques o embalatge tèrmic.
Figura 3: imatge 3D-CT que mostra els detalls de la penetració de la soldadura. (Font de la imatge: Photon Automation)
La tomografia computada (TC) permet una inspecció no-destructiva i d'alta-resolució de les juntes soldades, proporcionant dades en 2D i 3D que revelen defectes interns de soldadura com ara porositat, penetració desigual a la interfície de soldadura o penetració insuficient (vegeu la figura 3). Aquestes dades de TC 3D donen suport al desenvolupament de processos validant la qualitat de la soldadura i identificant si la penetració arriba als materials de segellat o aïllants, evitant així millor aquests problemes durant la soldadura.
