雷射加工製造更好的鋰電池

2020-11-23 OFweek維科網

        能源危機和全球環境的惡化正在世界範圍內引起廣泛的關注。汽車對化石燃料的持續依賴,幾乎消耗掉每年化石燃料產量的45%,而這已經成為全球變暖的主要原因之一。降低對進口原油的需求已經被廣泛認為是一種更快、更清潔和更廉價地實現國家能源安全的方法。 

        近來,基於電池的汽油和柴油混合動力機車已經在全球市場快速擴張,主要原因是它在相應功率和行駛範圍內實現了燃料的高經濟性和低排放,同時具備傳統汽油和柴油動力車輛的便利性。根據波士頓諮詢公司的一項報導,2020年大約1400萬輛電氣和混合動力汽車將被售出,最大的四個市場分別是西歐、北美、日本和中國,而這一數字在2008年僅為48萬輛。 

        混合動力車(HEV)、插電型混合動力車(PHEV)和電動車(EV)等不同類型的系統目前分別已經進入開發階段或進入市場。對於今天的混合動力車(如豐田的普瑞斯)來說,電動馬達所起的作用主要是在頻繁的停車啟動期間幫助車輛加速,而大多數時間仍然使用燃油發動機提供動能。這是由於電池容量小,因此受電力驅動所行駛的距離也有限。與之相比,PHEV車輛擁有更為強大的電池組,能支持車輛連續行駛數十英裡,並能連接電網進行充電。EV車能作為百分百的電動車輛無排放行駛。它們的電池組能通過連接電網或通過小型的車載燃油發動機進行充電。單次充電後的行駛距離預計可達約40英裡,能滿足消費者日常的大部分交通需求。美國新一屆聯邦政府計劃在2012年前在國內道路上實現100萬輛電動車的目標。這意味著價值約400億美元的高端電池市場。          

        推動新型車輛混合動力系統的一大因素正是電池技術的顯著進步。今天,與傳統的鉛酸電池或鎳鎘電池相比,用於HEV車輛的鎳氫電池具有更高的容量。未來的PHEV車輛需要更輕、更緊湊和更高容量的電池來實現其目標行駛距離。電池製造商有望分享來自政府先進車輛製造技術項目劃撥的旨在加快該技術商業化的250億美元資金。大部分開發者相信鋰電池能解決面臨的挑戰,因為它能存儲多達三倍的電量,產生兩倍的功率,並且相對今天使用的鎳氫電池來說,鋰電池每升所存儲的能量是鎳氫電池的兩倍。根據Fuji Keizai公司的一篇報導,鋰電池材料市場將在2012年增加到69億美元,相比2007年增加了89%。例如,用於雪弗蘭Volt電動車的T形鋰電池組將於2010年下半年上市,其包含了約220個電池單元。除了可靠性和安全性之外,採用鋰電池技術的PHEV車輛若要獲得廣泛的市場認可,那麼電池成本則是一項重要因素。除了材料成本,電池價格還受到大批量生產中製造成本的顯著影響。 

        
圖1、鋰電池的結構圖

        大批量生產 

        不同材料焊接技術、全密封的封裝、本地化加工、高精度、一致的質量以及高生產率等都是實現電池高效率製造的關鍵因素。先進的雷射系統結合創新的加工技術能為大批量鋰電池生產中的許多應用提供具有成本效率的方案。圖1顯示的是圓柱狀電池單元的基本組成部分。電極封裝由帶塗層的金屬薄片焊接成筒狀。該電極封裝被密封於金屬罐中並通過電路和外界電極端相連。平板單元(見圖2)和堆棧式電極或稜形單元代表了目前所開發的鋰電池所具有的不同設計。 

 
 
圖2、鋰聚合物電池(Fraunhofer矽技術研究所)
,(a)用於鋰電池的電極(Fraunhofer矽
技術研究所),(b)光學顯微鏡下,(c)
電子顯微鏡下雷射切割銅箔樣本的頂視圖。
上方所顯示的縫隙並不代表切口,樣本已
被完全切斷。

        在電極的生產和電池單元及模塊的組裝中需要進行許多切割、焊接和密封的操作。潛在的雷射應用包括:電極切割,將內部元件焊接至電極和電極端部,以及電池外殼的密封。大多數金屬元件都由銅或鋁為材料,這是因為它們具有出色的導電性能。而這些高反光材料過去曾為雷射加工帶來挑戰,而如今通過尖端的高亮度雷射技術已經能成功解決問題,使得焊接同種和異種材料成為可能。 

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