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激光加工制造更好的锂电池

导读: 在电极的生产和电池单元及模块的组装中需要进行许多切割、焊接和密封的操作。潜在的激光应用包括:电极切割,将内部元件焊接至电极和电极端部,以及电池外壳的密封。

        能源危机和全球环境的恶化正在世界范围内引起广泛的关注。汽车对化石燃料的持续依赖,几乎消耗掉每年化石燃料产量的45%,而这已经成为全球变暖的主要原因之一。降低对进口原油的需求已经被广泛认为是一种更快、更清洁和更廉价地实现国家能源安全的方法。 

        近来,基于电池的汽油和柴油混合动力机车已经在全球市场快速扩张,主要原因是它在相应功率和行驶范围内实现了燃料的高经济性和低排放,同时具备传统汽油和柴油动力车辆的便利性。根据波士顿咨询公司的一项报道,2020年大约1400万辆电气和混合动力汽车将被售出,最大的四个市场分别是西欧、北美、日本和中国,而这一数字在2008年仅为48万辆。 

        混合动力车(HEV)、插电型混合动力车(PHEV)和电动车(EV)等不同类型的系统目前分别已经进入开发阶段或进入市场。对于今天的混合动力车(如丰田的普瑞斯)来说,电动马达所起的作用主要是在频繁的停车启动期间帮助车辆加速,而大多数时间仍然使用燃油发动机提供动能。这是由于电池容量小,因此受电力驱动所行驶的距离也有限。与之相比,PHEV车辆拥有更为强大的电池组,能支持车辆连续行驶数十英里,并能连接电网进行充电。EV车能作为百分百的电动车辆无排放行驶。它们的电池组能通过连接电网或通过小型的车载燃油发动机进行充电。单次充电后的行驶距离预计可达约40英里,能满足消费者日常的大部分交通需求。美国新一届联邦政府计划在2012年前在国内道路上实现100万辆电动车的目标。这意味着价值约400亿美元的高端电池市场。          

        推动新型车辆混合动力系统的一大因素正是电池技术的显著进步。今天,与传统的铅酸电池或镍镉电池相比,用于HEV车辆的镍氢电池具有更高的容量。未来的PHEV车辆需要更轻、更紧凑和更高容量的电池来实现其目标行驶距离。电池制造商有望分享来自政府先进车辆制造技术项目划拨的旨在加快该技术商业化的250亿美元资金。大部分开发者相信锂电池能解决面临的挑战,因为它能存储多达三倍的电量,产生两倍的功率,并且相对今天使用的镍氢电池来说,锂电池每升所存储的能量是镍氢电池的两倍。根据Fuji Keizai公司的一篇报道,锂电池材料市场将在2012年增加到69亿美元,相比2007年增加了89%。例如,用于雪弗兰Volt电动车的T形锂电池组将于2010年下半年上市,其包含了约220个电池单元。除了可靠性和安全性之外,采用锂电池技术的PHEV车辆若要获得广泛的市场认可,那么电池成本则是一项重要因素。除了材料成本,电池价格还受到大批量生产中制造成本的显著影响。 

        
图1、锂电池的结构图

        大批量生产 

        不同材料焊接技术、全密封的封装、本地化加工、高精度、一致的质量以及高生产率等都是实现电池高效率制造的关键因素。先进的激光系统结合创新的加工技术能为大批量锂电池生产中的许多应用提供具有成本效率的方案。图1显示的是圆柱状电池单元的基本组成部分。电极封装由带涂层的金属薄片焊接成筒状。该电极封装被密封于金属罐中并通过电路和外界电极端相连。平板单元(见图2)和堆栈式电极或棱形单元代表了目前所开发的锂电池所具有的不同设计。 

 
 
图2、锂聚合物电池(Fraunhofer硅技术研究所)
,(a)用于锂电池的电极(Fraunhofer硅
技术研究所),(b)光学显微镜下,(c)
电子显微镜下激光切割铜箔样本的顶视图。
上方所显示的缝隙并不代表切口,样本已
被完全切断。

        在电极的生产和电池单元及模块的组装中需要进行许多切割、焊接和密封的操作。潜在的激光应用包括:电极切割,将内部元件焊接至电极和电极端部,以及电池外壳的密封。大多数金属元件都由铜或铝为材料,这是因为它们具有出色的导电性能。而这些高反光材料过去曾为激光加工带来挑战,而如今通过尖端的高亮度激光技术已经能成功解决问题,使得焊接同种和异种材料成为可能。 

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