Saldatura metallica ad ultrasuoni per ioni di litio cellule della batteria

I tre metalli più comuni alle articolazioni metalliche in un litio-ionico Battery Pack sono foglio per scheda, scheda per scheda e scheda per bus. Tutti e tre le articolazioni posa universalmente sfide, ma dei tre, saldatura di più strati di foglio a una scheda è la più impegnativa. L'articolazione è spesso costituita da metalli dissimili, lo spessore del metallo non corrisponde e un lato (il scheda) è relativamente denso (ad esempio 0.2 mm) Mentre l'altro è costituito da più strati multipli, estremamente sottili. L'immagine qui sotto mostra uno schema di un grande formato litio-ione Pacco batteria Cella. La saldatura del foglio a scheda è necessaria per raccogliere tutte le piastre di collezione attuali (fogli) all'interno della cella e si unisce loro a una scheda che esce dall'involucro delle cellule e consente il cell's Energia da trasferire a una fonte esterna. Ci sono due fogli per le saldature di schede in ogni cella e centinaia di cellule in tipico ioni di litio Batteria Pacchetto. Perché Delle connessioni serie e paralleli, un guasto in un giunto di foglio a schede a tab comprometterà l'output dell'intero pacchetto, pertanto, un robusto processo di unione è richiesto.

Saldatura metallica ad ultrasuoni (UMW) è stato valutato per questo particolare Applicazione. Viene mostrato uno schema del processo sotto. La saldatura metallica ad ultrasuoni è molto in grado di saldare combinazioni simili e dissimili di materiali correlati alla batteria come rame, alluminio e nichel. Le vibrazioni ultrasuiche, in genere da 20 a 40 mila hertz, sono utilizzate per strofinare due parti insieme sotto pressione. L'azione della lavatrice rompe l'ossido e la contaminazione sulla superficie e si rompe le asperità superficiali creando due "liscio", metallo pulito superfici. Una volta questi Contatto Sotto il calore e la pressione moderati, una saldatura è formata.

Il processo ha diversi Vantaggi. Dal momento che È un processo di stato solido, può essere adattato a combinazioni di materiali dissimili ed evita la maggior parte delle preoccupazioni sulla formazione di Intermetallic Composti. È ideale per saldare i materiali altamente conduttivi utilizzati nelle batterie, tra cui placcato rame. Non richiede che i cicli ad alta potenza e di saldatura siano molto brevi, frazioni di un secondo. Si unisce anche a più strati di materiali sottili in uno operazione.

Sia saldatura a spot di resistenza (RSW) e saldatura del raggio laser (LBW) sono stati anche considerati, ma mancano alcuni attributi che fanno UMW Un processo di giunzione più desiderabile per il litio-ione Batteria Applicazione. RSW si affida alla resistenza di un materiale per generare calore per unione. Tuttavia, i fogli di alluminio e rame tipicamente utilizzati nell'industria della batteria hanno una resistenza estremamente bassa, inoltre, le leghe di alluminio formano uno strato di ossido di superficie resistente che inibisce RSW ed è ulteriormente aggravato dal fatto che lo strato di ossido è presente su entrambi i lati di ciascun foglio strato. UMW Non si affida alla resistenza all'ingrosso e spremuta intrinsecamente gli strati di ossido come parte del Processo. LBW è molto sensibile agli spazi tra gli strati materiali nella saldatura giunto. Come regola generale del pollice, il gap dovrebbe essere meno di 10% del materiale spessore. Unisciti a 12 μm Foil Sarebbe Richiedere un 1.2 μm, o meno, divario che è molto difficile da raggiungere e richiede eccessivo Rifiutatura. Perché UMW L'auto-serraggio, gli spazi vuoti non sono un problema.

Un tipico grande formato ioni di litio cella utilizza il foglio di rame come collettore corrente anodo e alluminio come corrente catodo Collettore; Pertanto, sia il rame che l'alluminio sono stati valutati con l' UMW Processo. Le articolazioni sperimentali, come mostrato nell'immagine sopra, erano limitate solo a pile di materiale simili, il che significa che i fogli di alluminio sono stati uniti alle schede di alluminio e al fogli di rame per rame Tabs. Gli spessori della tabulazione sono stati tenuti costanti a 0,005 pollici. Due spessori di lamina, 12 e 25 μm, e due altezze di pila di lamina, 20 e 60 strati, sono state valutate per dimostrare la fattibilità e di studiare gli effetti sulle proprietà articolari come lo spessore del foglio e il numero di strati di foglio Varia.

Sezione trasversale - 20 strati di rame sottile

Sezione trasversale - 60 strati di alluminio spesso

L'analisi delle sezioni trasversali sopra riportate ha fornito un aspetto più da vicino alla compressione del foglio, danni al foglio e allo stato finale della saldatura Joint. I campioni con più sottili e meno strati di foglio mostrano un aumento del movimento del foglio direttamente adiacente alla saldatura Zona. Al contrario i campioni con strati più spessi e più fogli hanno mostrato un consolidamento dei fogli adiacenti alla zona di saldatura spesso con conseguente un legame più grande Regione. Si è verificato il consolidamento e l'aumento della regione obbligazionaria perché La foglio più spessa si sta pile dal fondo sullo strumento di saldatura che causa la compressione nell'area adiacente alla saldatura Zona.

Conclusioni:

Unendo più strati multipli di fogli sottili a una scheda in un'unica operazione di saldatura in metallo ad ultrasuoni è fattibile. Le saldature sono ottenibili senza fratturare il foglio delicato strati. L'incollaggio avviene all'interfaccia del foglio di foglio all'altra e ad ogni foglio per foglio di foglio che si traduce in un forte e altamente conduttivo elettro-meccanico Giunto.

IR Videografia Mostra che tutte le articolazioni, ad eccezione del campione di rame realizzato da 60 strati di 25 μm Foil, rimasto sotto i 60 anni ºC Durante Il ciclo di saldatura che indica che il processo non danneggerà la vicina sensibile al calore .. componenti.