Bei der Herstellung und Montage von Batterien – ob zylindrische Lithium-Ionen-Batterien, prismatische Batterien oder Softpack-Energiespeicherbatterien – ist das Schweißen ein kritischer Prozess, der sich direkt auf die Batteriesicherheit, die Energiedichte und die Lebensdauer auswirkt. Das Batteriewelding erfordert eine präzise Verbindung von Laschen, Sammelschienen und Gehäusekomponenten, während gleichzeitig Schäden an wärmeempfindlichen Batteriezellen minimiert werden. Unter den verschiedenen Schweißgeräten haben sich Laserschweißmaschinen aufgrund ihrer einzigartigen technischen Vorteile als optimale Lösung für die Batterieherstellung herauskristallisiert und übertreffen Punktschweißmaschinen, Ultraschallschweißmaschinen und andere herkömmliche Geräte. Dieser Artikel konzentriert sich auf das Batteriewelding-Szenario, um die wichtigsten vergleichenden Vorteile von Laserschweißmaschinen zu analysieren.
Das Batteriewelding stellt strenge Anforderungen an die Temperaturkontrolle, die Schweißpräzision und die Verbindungsfestigkeit. Herkömmliche Schweißgeräte haben oft Schwierigkeiten, diese Anforderungen zu erfüllen, was zu potenziellen Qualitätsrisiken führt:
- Punktschweißmaschinen: Basieren auf Widerstandserwärmung zur Bildung von Lötstellen, aber die Wärmezufuhr ist schwer zu kontrollieren. Übermäßige Temperaturen können die Batterietrennwände und Elektrolyte beschädigen und Sicherheitsrisiken wie Kurzschlüsse verursachen. Die große Lötstellengröße beeinträchtigt die Layoutdichte der Batteriepacks und reduziert die Energiedichte. Darüber hinaus führt der Elektrodenverschleiß während des Langzeitgebrauchs zu einer inkonsistenten Lötstellenqualität, was die Nacharbeitsrate der Batteriepacks erhöht.
- Ultraschallschweißmaschinen: Geeignet für das Schweißen von dünnen Materialien wie Softpack-Batterielaschen, aber ihre Schweißfestigkeit ist begrenzt. Sie können keine dicken Sammelschienen oder Gehäuseschweißungen in Batterien bewältigen. Darüber hinaus reagiert das Ultraschallschweißen empfindlich auf die Sauberkeit der Materialoberfläche – jede Öl- oder Oxidschicht kann zu virtuellen Schweißungen führen, die bei späteren Inspektionen schwer zu erkennen sind und während des Gebrauchs zu einem Batterieausfall führen können.
- Argon-Lichtbogenschweißmaschinen: Erzeugen eine breite wärmebeeinflusste Zone während des Schweißens, was zu einer deutlichen Verformung der Batteriegehäuse und -laschen führt. Die langsame Schweißgeschwindigkeit macht sie für die Massenproduktion von Batteriepacks ungeeignet. Darüber hinaus können die Lichtbogenstrahlung und Spritzer während des Schweißens Batteriekomponenten verunreinigen und die Gesamtleistung beeinträchtigen.
Diese Einschränkungen machen herkömmliche Schweißgeräte im Kontext der hochpräzisen, hocheffizienten Batterieherstellung zunehmend unzureichend.
Laserschweißmaschinen verwenden fokussierte Hochenergie-Laserstrahlen, um eine lokalisierte, schnelle Erwärmung von Batteriekomponenten zu erreichen. Im Vergleich zu herkömmlichen Geräten bieten sie gezielte Vorteile für das Batteriewelding:
Batteriezellen sind sehr temperaturempfindlich – übermäßige Hitze kann zur Zersetzung des Elektrolyten oder zum Schmelzen der Trennwand führen. Laserschweißmaschinen liefern konzentrierte Energie mit einer wärmebeeinflussten Zone von nur 0,1–0,3 mm, viel schmaler als die 2–5 mm Zone von Punktschweißmaschinen. Dies minimiert die thermische Beschädigung der Batteriezellen und gewährleistet gleichzeitig eine stabile Verbindung von Laschen und Sammelschienen. Beispielsweise kann beim Schweißen von zylindrischen 18650/21700-Batteriepacks das Laserschweißen die Verbindung von Nickelstreifen und Batteriepolen präzise anvisieren, ohne die innere Struktur der Zelle zu beeinträchtigen, wodurch das Risiko eines thermischen Durchgehens verringert wird.
Moderne Batteriepacks streben eine hohe Energiedichte an, was eine kompakte Anordnung von Zellen und Komponenten erfordert. Der fokussierte Punkt von Laserschweißmaschinen kann auf 0,05–0,2 mm eingestellt werden, was ein präzises Schweißen von Mikrolaschen und schmalen Sammelschienen ermöglicht. Im Vergleich zu den millimetergroßen Lötstellen von Punktschweißmaschinen reduziert das Laserschweißen den beanspruchten Platz der Verbindungen, wodurch mehr Zellen im gleichen Volumen angeordnet werden können. Dieser Vorteil ist besonders ausgeprägt bei Batterien für tragbare elektronische Geräte und Batterien für neue Energiefahrzeuge, wodurch die Ausdauerleistung des Produkts direkt verbessert wird.
Batteriepacks sind während des Gebrauchs Vibrationen, Stößen und Temperaturänderungen ausgesetzt, was Schweißverbindungen mit hoher Zugfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit erfordert. Das Laserschweißen bildet dichte, fehlerfreie Schweißnähte mit einer Scherfestigkeit, die 30–50 % höher ist als beim Ultraschallschweißen und 20–30 % höher als beim Punktschweißen. Für das Schweißen von prismatischen Batteriegehäusen erzielt das Laserschweißen eine nahtlose Abdichtung, verhindert das Auslaufen von Elektrolyten und verbessert die Lebensdauer der Batterie. Im Gegensatz dazu sind die diskreten Lötstellen des Punktschweißens anfällig für Spannungskonzentration und Ermüdungsversagen bei langfristiger Nutzung.
Die Batterieherstellung umfasst verschiedene Materialien wie Kupfer, Aluminium, Nickel und deren Legierungen. Herkömmliche Geräte haben Schwierigkeiten beim Schweißen unterschiedlicher Materialien – beispielsweise führt das Punktschweißen von Kupfer-Aluminium-Laschen oft zu spröden intermetallischen Verbindungen und schlechter Leitfähigkeit. Das Laserschweißen passt Parameter wie Energiedichte und Schweißgeschwindigkeit an, um das Schmelzverhältnis unterschiedlicher Materialien zu steuern und hochwertige Verbindungen mit geringem Kontaktwiderstand zu bilden. Es verarbeitet auch dicke Sammelschienen (2–5 mm) und dünne Laschen (0,1–0,3 mm) gleichermaßen gut und passt sich an unterschiedliche Schweißanforderungen in Batteriepacks an, von der Laschenverbindung bis zur Gehäuseabdichtung.
Die Batterieherstellung ist hochautomatisiert und wird in Massenproduktion hergestellt, was erfordert, dass Schweißgeräte mit den Produktionslinien mithalten. Laserschweißmaschinen erreichen eine Schweißgeschwindigkeit von 1–3 m/min, 2–3 mal schneller als Punktschweißmaschinen. In Kombination mit sechsachsigen Robotern oder Portalbewegungssystemen können sie Tausende von Lötstellen in einem einzigen Batteriepack mit gleichbleibender Qualität ausführen und menschliche Fehler bei der manuellen Bedienung vermeiden. Beispielsweise erreichen Laserschweißstationen in Produktionslinien für Batterien für neue Energiefahrzeuge eine Zykluszeit von 30–60 Sekunden pro Pack und erfüllen damit die Nachfrage nach über 10.000 Einheiten Tagesleistung – eine Effizienz, die herkömmliche Schweißgeräte nicht erreichen können.
Die Batteriesicherheit unterliegt strengen Industriestandards, die eine rückverfolgbare und konsistente Schweißqualität erfordern. Laserschweißmaschinen sind mit digitalen Steuerungssystemen ausgestattet, die Schweißparameter (Leistung, Geschwindigkeit, Punktgröße) in Echtzeit aufzeichnen und so die vollständige Rückverfolgbarkeit jedes Batteriepacks ermöglichen. Im Gegensatz zu Punktschweißmaschinen mit Problemen beim Elektrodenverschleiß weist das Laserschweißen keinen Verschleiß von Verbrauchsmaterialien auf, wodurch eine gleichbleibende Lötstellenqualität über Chargen hinweg gewährleistet wird. Diese Stabilität hilft Unternehmen, internationale Zertifizierungen wie IEC und UL zu bestehen, und erhöht die Wettbewerbsfähigkeit der Produkte auf dem Markt.
Laserschweißmaschinen sind zu Standardgeräten in wichtigen Batterieherstellungsprozessen geworden:
- In der Unterhaltungselektronik wird das Laserschweißen zum Mikrolaschenschweißen von Smartphone- und Laptop-Batterien verwendet, um eine kompakte Größe und eine zuverlässige Verbindung zu gewährleisten.
- In neuen Energiefahrzeugen verwenden Batterien (z. B. ternäre Lithium- und Lithium-Eisenphosphat-Batteriemodule) das Laserschweißen für die Sammelschienenverbindung und die Gehäuseabdichtung, wodurch die Batteriesicherheit und -ausdauer verbessert werden.
- In Energiespeicherbatterien bewältigt das Laserschweißen das Schweißen von großformatigen Batteriemodulen und hält langfristigem Hochstromladen und -entladen ohne Verbindungsfehler stand.
In Batteriewelding-Szenarien übertreffen Laserschweißmaschinen herkömmliche Geräte wie Punktschweißen und Ultraschallschweißen in Bezug auf Temperaturkontrolle, Präzision, Verbindungsfestigkeit, Materialanpassungsfähigkeit, Effizienz und Qualitätsstabilität. Diese Vorteile gehen direkt auf die Kernanforderungen der Batterieherstellung ein – Sicherheit, hohe Energiedichte und Zuverlässigkeit – und machen das Laserschweißen zu einer unverzichtbaren Technologie für die Entwicklung der neuen Energiebatterieindustrie. Da die Batterietechnologie auf eine höhere Energiedichte und kleinere Abmessungen zusteuert, werden sich Laserschweißmaschinen weiterentwickeln und effizientere und präzisere Lösungen für die Batterieherstellung bieten.
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