Figuur 1: Laserlasopstelling voor cilindrische lithium-ionbatterijmodules. (Bron afbeelding: Photon Automation)
Cilindrische lithium--ionbatterijen (zoals 18650, 21700 en grotere 4680-modellen) worden veel gebruikt in draagbare elektronica, elektrisch gereedschap, energieopslagsystemen en vooral elektrische voertuigen vanwege hun hoge energiedichtheid, gestandaardiseerd ontwerp en bewezen betrouwbaarheid. Deze batterijen maken doorgaans gebruik van vernikkeld staal (Hilumin) als behuizingsmateriaal, omdat de nikkelcoating corrosiebestendigheid biedt, terwijl het stalen substraat zorgt voor structurele sterkte om interne druk en mechanische spanning te weerstaan.
Om aan specifieke ontwerp- en prestatie-eisen te voldoen, maken sommige cilindrische cellen met een diameter van 46 mm gebruik van verschillende behuizingsmaterialen, zoals aluminium en vernikkeld staal. Een cruciale uitdaging tijdens de productie van modules of accupakketten is het aan elkaar lassen van aluminium en staal, vanwege de aanzienlijke verschillen in hun thermische eigenschappen en lasgedrag.
Bij het construeren van cilindrische batterijmodules of -pakketten worden cellen (individuele batterijeenheden) in een specifiek patroon gerangschikt en in serie of parallel aangesloten, afhankelijk van de spannings- en stroomvereisten van de toepassing. Met deze configuratie kunnen fabrikanten de algehele energiecapaciteit en het uitgangsvermogen van het batterijpakket aanpassen aan de eisen van specifieke toepassingen, zoals elektrische voertuigen of stationaire energieopslagsystemen. Cellen zijn doorgaans met elkaar verbonden via aluminium rails met een dikte van 0,3–0,6 mm, die vervolgens met een laser- worden gelast om betrouwbare elektrische verbindingen te verkrijgen (zie figuur 1). Het vernikkelde staal dat voor batterijbehuizingen wordt gebruikt, heeft doorgaans een dikte van 0,4–0,6 mm, afhankelijk van het celontwerp en het merk van de fabrikant.
Bij toepassingen in elektrische voertuigen moeten de lassen die aluminium rails verbinden met batterijcellen een hoge structurele integriteit en elektrische geleidbaarheid behouden onder zware dynamische omstandigheden, waaronder schokken, trillingen en thermische cycli. Daarom is nauwkeurig en betrouwbaar laserlassen van cruciaal belang voor de prestaties en veiligheid van de batterij op lange termijn. Laserlassen is uitzonderlijk goed-geschikt voor dit montagescenario. Het produceert zeer sterke, zuivere verbindingen met een lage warmte-inbreng en minimale vervorming. Deze kenmerken zijn essentieel voor het overwinnen van de uitdagingen die inherent zijn aan het lassen van aluminium aan vernikkeld staal.
Vorming van brosse intermetaalverbindingen (IMC's)
De belangrijkste uitdaging tijdens het lassen is de vorming van brosse intermetallische verbindingen (IMC's), die de verbindingssterkte en elektrische geleidbaarheid aanzienlijk verminderen. Dit probleem komt voort uit de verschillende eigenschappen van aluminium en staal, met name hun ongelijksoortige thermische reacties: aluminium smelt en zet sneller uit dan staal, waardoor thermische spanningen ontstaan die de IMC-groei tijdens het lassen bevorderen. Deze IMC's-zoals ijzer-aluminiumverbindingen FeAl₃ en Fe₂Al₅- vertonen doorgaans brosse texturen die de verbindingssterkte verzwakken, wat leidt tot scheurinitiatie, verminderde sterkte en verhoogde gevoeligheid voor corrosie.
De vorming en het totale volume van IMC's tijdens het lassen hebben een kritische invloed op de laskwaliteit en de prestaties op de lange- termijn. Naarmate het IMC-volume toeneemt, neemt de broosheid van de gewrichten toe, neemt de mechanische sterkte af en neemt de kans op door spanning-geïnduceerd falen toe. Een diepere laspenetratie vergroot doorgaans het totale IMC-volume, wat de noodzaak onderstreept van nauwkeurige lasparametercontrole om een hoge verbindingssterkte, betrouwbaarheid en duurzaamheid te garanderen.
Uitgebreid onderzoek wijst uit dat het handhaven van een dunne, uniforme IMC-laag (doorgaans 2 µm tot 10 µm) een hogere schuifsterkte oplevert. Deze dunne lagen maken een effectieve metallurgische verbinding mogelijk terwijl de brosheid van de verbindingen wordt geminimaliseerd. Wanneer de IMC-laag echter dikker is dan 15 µm, leidt de brosheid ervan vaak tot een verminderde treksterkte als gevolg van de gevoeligheid voor scheurinitiatie en -voortplanting onder belasting (zie figuur 2).
Figuur 2: Effect van IMC-laagdikte op treksterkte. (Afbeeldingsbron: H. He et al.) [1]
Om dit probleem aan te pakken, is een effectievere aanpak het vergroten van het lasinterfacegebied in plaats van uitsluitend te vertrouwen op een grotere penetratiediepte. Het uitbreiden van het grensvlakgebied verbetert de metallurgische binding terwijl het totale IMC-volume wordt beperkt. Dit vermindert de broosheid en bevordert een meer uniforme spanningsverdeling bij de verbinding, waardoor de betrouwbaarheid wordt verbeterd. Dit effect kan worden bereikt door laserpulsen te combineren met straalscantechnologie om de warmte-inbreng en grensvlakvorming nauwkeurig te regelen, waardoor de IMC-groei wordt geminimaliseerd.
Photon Automation heeft geavanceerde puls- en vermogenscontrollers ontwikkeld die lasers op microseconden-niveau nauwkeurig kunnen besturen, waardoor aangepaste pulsvorming mogelijk is. Door de pulsvorm nauwkeurig af te stemmen, wordt de plaatselijke thermische spanning verminderd, blijven de ideale mechanische eigenschappen van het materiaal behouden, wordt de door hitte beïnvloede zone (HAZ) geminimaliseerd en wordt de levensduur van de onderdelen verlengd. Het WonderBOARD van het bedrijf kan ook worden gekoppeld aan galvospiegelcontrollers, waardoor een uniforme verdeling van laserenergie over werkstukken mogelijk wordt. Dit voorkomt hotspots en ongelijkmatige verwarming veroorzaakt door snelle straalbewegingen.
Laserpuls- en straaloscillatiecontrole voor IMC-formatie
Gepulseerde lasers bieden superieure controle over de thermische invoer, waardoor het risico op over- smelten of spatten wordt verminderd. De koelintervallen tussen de pulsen minimaliseren de accumulatie van warmte, waardoor defecten zoals doorbranden of vervorming worden voorkomen. Voor het lassen van dunne- materialen of het verbinden van ongelijksoortige metalen (bijvoorbeeld aluminium-met-staal) verbetert de gepulseerde technologie ook de stabiliteit van het smeltbad.
Dynamisch scannen van de laserstraal over de laszone via een galvanometer zorgt voor een uniforme energieverdeling. Dit voorkomt randeffecten (overmatige penetratie, ondersnijding of hete plekken veroorzaakt door langdurige verblijftijd aan het begin/einde van het laspad). Oscillatietechnologie maakt ook op maat gemaakte lasprofielen mogelijk (bijvoorbeeld rond, spiraalvormig of zaagtand) om de mechanische sterkte en uniformiteit van de verbinding te verbeteren.
De combinatie van pulsen en oscillatie creëert een zeer controleerbare lasomgeving die thermische gradiënten minimaliseert, de metallurgische hechting optimaliseert en een meer uniforme spanningsverdeling garandeert. Deze aanpak is met name van cruciaal belang bij de productie van batterijen, omdat nauwkeurige energiecontrole mogelijk is om schade aan gevoelige componenten of geïsoleerde gebieden te voorkomen.
De tweede uitdaging betreft het bereiken van een nauwkeurige positionering van de lasnaden en een consistente laskwaliteit.
In cilindrische celontwerpen bevinden zich zowel positieve als negatieve elektroden op het bovenoppervlak.-De centrale elektrodekap dient als de positieve elektrode, terwijl het omringende ringvormige gebied als de negatieve elektrode fungeert. Deze lay-out beperkt het beschikbare lasgebied en vereist extreme precisie bij het positioneren van de laser. Zelfs een kleine verkeerde uitlijning kan resulteren in onvoldoende lassterkte, interne schade of kortsluiting, waardoor het risico op celuitval toeneemt en in ernstige gevallen thermische overstroming kan ontstaan.
Tijdens de montage bevatten deze batterijmodules doorgaans honderden dicht opeengepakte cellen. Kleine variaties in celhoogte veroorzaakt door productietoleranties of hantering kunnen resulteren in ongelijkmatig contact tussen de stroomrail of het lasgereedschap en de cellen. Als dit inconsistente contact niet op de juiste manier wordt aangepakt, leidt dit tot wisselende laskwaliteit, slechte elektrische verbindingen en prestatieproblemen op de lange- termijn.
Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, vertrouwen fabrikanten op twee kernsystemen: vision-systemen en optische coherentietomografie (OCT).
Visiesystemen detecteren en lokaliseren de positieve pool (middenkap) en de negatieve pool (buitenste ring/rand) van elke cilindrische cel. Bovendien compenseren vision-systemen cel-tot- celvariaties/toleranties en afwijkingen in de uitlijning van de armatuur, waardoor de laserstraal naar de juiste laspositie wordt geleid en contact met isolatielagen of randgebieden wordt vermeden. Dit maakt consistent lassen met hoge-precisie mogelijk tussen modules die honderden cellen bevatten.
OCT meet de hoogte van elke cel voorafgaand aan het lassen om de kleinste hoogtevariaties te detecteren. Het past de focuspositie van de laser dynamisch aan via een elektrisch aangedreven collimatorlens, waardoor de laser consistent op het precieze lasvlak scherpstelt. Dit verbetert de laskwaliteit en betrouwbaarheid in geautomatiseerde productieomgevingen waar kleine hoogtevariaties kunnen bestaan tussen cellen in een batterijmodule.
Monitoring van lasprocessen en gegevensverzameling: de basis van AI
Het implementeren van een Laser Welding Monitoring (LWM)-systeem is een cruciale stap in de richting van AI-gestuurde procescontrole. Tijdens laser{2}}materiaalinteractie komt energie in meerdere vormen vrij: plasmastraling (ultraviolette golflengte), thermische straling (infrarode golflengte), terugreflectie (de werkelijke golflengte van de laser) en laservermogen dat via optische componenten wordt overgedragen. Elk van deze signalen bevat waardevolle informatie over lasprocesparameters.
Op fotodioden-gebaseerde sensoren registreren deze stralingsinformatie in realtime en vergelijken deze met referentiegegevens voor lassen van hoge-kwaliteit. Deze continue data-acquisitie helpt bij het identificeren van defecten zoals een gebrek aan smelting, gemiste lassen of een inconsistente penetratiediepte. Na verloop van tijd vormt de accumulatie van procesgegevens met hoge- resolutie de basis voor het trainen van AI-modellen. Deze modellen kunnen patronen detecteren, fouten voorspellen en een gesloten-lusoptimalisatie van het lasproces mogelijk maken.
Validatie van procesontwikkeling voor laskwaliteit
Bij het laserlassen van cilindrische lithium-ion-batterijen is het waarborgen van de integriteit van interne lassen van cruciaal belang voor het waarborgen van de veiligheid en prestaties van de batterij. Tijdens het lassen moet bijzondere aandacht worden besteed aan het beschermen van alle plastic of rubber materialen onder het bovenoppervlak: overmatige warmte-inbreng, onjuiste laserparameters of een te grote penetratiediepte kunnen de onderliggende isolatielagen of plastic/rubber structurele componenten beschadigen, wat kan leiden tot kortsluiting, lekkage, mechanisch falen of thermische overstroming.
Figuur 3: 3D-CT-afbeelding met details van laspenetratie. (Bron afbeelding: Photon Automation)
Computertomografie (CT) maakt niet-destructieve inspectie met hoge- resolutie van lasverbindingen mogelijk, waarbij 2D- en 3D-gegevens worden verkregen die interne lasdefecten aan het licht brengen, zoals porositeit, ongelijkmatige penetratie op het lasgrensvlak of onvoldoende penetratie (zie afbeelding 3). Deze 3D CT-gegevens ondersteunen de procesontwikkeling door de laskwaliteit te valideren en te identificeren of de penetratie afdichtings- of isolatiematerialen bereikt, waardoor dergelijke problemen tijdens het lassen beter kunnen worden voorkomen.
