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電芯

電芯

電芯生產時的精準測量和雷射技術

電池單元由陽極箔和陰極箔通過隔膜交替層疊而成。將堆疊起來的箔片卷起後裝入金屬外殼中,最後對電池進行焊接固定。

在電池生產的工序鏈中,有許多工序都用到了我們的 3D 測量技術和雷射技術:電極箔厚度或切削毛邊的測量、單個箔層的雷射焊接(箔到極片)或外殼和蓋子的雷射焊接(蓋帽到罐體)。

客戶對我們 3D 測量技術的要求是:精度 < 1 微米。我們的感測器不僅符合這一要求,還針對電池單元的生產環境,即卷對卷應用(高捲速、振動電極箔、光澤與黑色表面交替)進行了優化。在雷射技術中,蓋帽到罐體的雷射焊接是一項很重要的應用。在這種情況下,必須檢測到針孔,或最好完全避開。在這方面,我們也專門針對這些應用優化了我們的產品和光學元件,並開發出了創新解決方案。

电极生产步骤的解决方案

電極箔塗層厚度對電池的性能和壽命有重大影響,因此,塗層厚度的準確性很關鍵。在生產過程中,先將漿料連續或間歇地塗覆在載體膜上,然後在乾燥通道中去除塗層中的溶劑。

在乾燥過程前後分別進行厚度測量。塗層可以處於乾燥或潮濕狀態,也就是說,無論表面是反光、黑色還是多孔,我們的測量總是準確的。震動和皮帶速度的影響會得到補償。膜的波紋度和厚度經過精確分析後,會顯示結果。目前的市場要求是:絕對精度 < 1 µm,重復精度 ± 0.5 µm。

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狹縫模具和載體箔之間距離的準確性,對於塗層品質以及電池性能至關重要。間距通常在 100 - 300 µm 之間。若間距調整不準確,會影響塗層厚度、塗層寬度,並形成不必要的邊緣超高。

實際間距可在機器設置過程中精確測量和調整,並在塗布過程中持續監測。結合塗層厚度或邊緣超高的測量,可以設置自動控制回路,顯著提高系統效率並提高產量。

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邊緣超高發生在漿料塗覆部位的邊界處,會對電極的進一步加工產生負面影響,尤其是在捲繞過程中。它可能導致捲繞不對稱,從而引發大量的操作問題。

為了提高電池的性能,目前正在嘗試增加塗層厚度。然而,塗層增厚後也容易形成邊緣超高。

我們的線感測器能夠在製造過程中精確測量長達 20 mm 的邊緣。濕邊和幹邊均可檢測到。在此過程中,能計算箔片的震動情況。從反光金屬載體箔到黑色漿料的過渡也可準確顯示。

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起始/終止邊緣出現在間歇塗布期間。在此過程中,在載體箔上交替塗上漿料,或者故意不塗。塗上這種類型的塗層後,起始/終止邊緣會很棘手,必須對其進行監控,以確保電池的長壽命和安全性。

使用我們的點感測器,可以精確測量形貌輪廓,從而及早、準確地發現塗層可能存在的缺陷。

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電極箔塗層厚度對電池的性能和壽命有重大影響,因此,塗層厚度的準確性很關鍵。在生產過程中,先將漿料連續塗覆在載體箔上,然後在乾燥通道中通過加熱去除塗層中的溶劑。為了保證漿料在載體膜上的高粘合強度,必須確定乾燥的 5 個階段。例如,必須防止粘合劑的遷移。為了優化乾燥過程,孔隙完全清空的時間也至關重要。

我們的感測器可以在乾燥過程中確認這些時間點。這樣可以縮短乾燥時間,優化塗層品質,降低能源成本。

在整個乾燥過程中,還可以進行精確的厚度測量。無論是濕層還是幹層、黑色還是多孔石墨或陰極活性材料,測量結果都非常準確。測量期間震動和皮帶速度的影響會得到補償。使用感測器可縮短乾燥時間、提高塗層品質,節省能源成本。

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壓延是電極生產的最後一個工序,將基本確定塗層的最終厚度和孔隙率。除了單位面積重量之外,最終厚度和孔隙率也是電池性能和安全性的決定性特徵。

我們的感測器可以全面測量壓延過程,包括壓延前後的電極厚度、壓延輥的同心度和皺褶。皺褶是基底塗層邊緣的皺褶。我們的感測器會補償箔片的震動,然後計算波紋度。這意味著即使皮帶速度高達 100 - 150 m/min,也可以隨時進行精確測量。

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在壓延過程中,電極箔會被壓縮,即軋製。該工序將決定電極箔的最終厚度,從而影響電池的安全性、壽命和性能。

為了讓箔片被壓縮到最理想的狀態,在壓延期間必須精確調整並監控兩個壓延輥之間的距離。因輥子同心度的微小偏差或輥子施加的進給力,兩個輥子之間的距離會發生變化。我們的感測器可以精確測量實際間距的最小變化,從而確保電極始終保持最高品質。

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壓延輥是直徑大於 1 米的實心鋼輥。鏡面表面經過精確研磨,可確保軋製的電極達到最高品質。軋製表面的缺陷以及同心度的微小偏差會直接影響電極箔的厚度和狀態。因此,監測壓延輥表面的磨損以及同心度至關重要。

我們的感測器可以記錄這些品質特徵,檢測同心度的微小偏差以及輥表面的最小劃痕。

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由於軋製力以及塗層和箔材料的膨脹程度不同,軋製後會產生皺褶,尤其是在導電箔至塗層的邊緣處。皺褶會明顯增加後續生產過程的復雜程度,甚至令生產無法進行。

使用我們的感測器技術,可以檢測皺褶並測量其大小。如果皺褶太大,材料會被拒。通過調整軋製參數也可以減少皺褶的形成。

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隔離膜將兩個電極箔(即陽極和陰極)分開,以防短路。隔離膜必須具有電絕緣性,因此通常由多孔塑膠(有時是多層塑膠)組成,例如聚丙烯或聚乙烯。這些薄膜的厚度在 15-25 µm 之間,並且不得被異物顆粒損壞。如果隔離膜被刺穿,就會造成短路且著火的風險很高(熱失控)。

有了我們的感測器,可以測量隔離膜的厚度和完整性,並辨析各個膜層的厚度。

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电池生产步骤的解决方案

在雷射切割的幫助下,電極箔最終會被切成所需的幾何形狀。這個過程包括帶避雷器端子的切割,但如果是圓柱形 4680 電池,則僅包含直線切割。進行雷射切割時,熱影響區和切削毛邊應盡可能小。智慧切割光學系統可以精確調整位置和焦點,從而保證最高水準的切割品質。此外,攝像頭和光電二極體感測器還可用於評估和跟蹤切割品質。

在電池生產中,塗覆的銅箔和鋁箔會被隔開,然後組裝成完整的電池。對於 100-250 µm 之間的薄層加工,雷射可以充分發揮其優勢。機械分離過程通常會導致表面塗層損壞。而利用雷射這可以在卷對卷過程中對工件進行無接觸加工。通過使用加工氣體,可將潛在顆粒向下排出,從而避免材料表面受到污染。動態和精確的距離控制,可確保切割邊緣達到高品質並降低毛邊高度。

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如果隔膜被刺穿,就會造成短路且著火的風險很高(熱失控)。隔膜厚度通常約為 20 µm。因此,檢測到約 10 µm 的切削毛邊極至關重要。

對毛邊進行測量可以顯示出金屬箔的幾何構造和外形以及塗層(包括下層金屬箔)的形貌結構。根據任務和要求的不同,可採用不同的技術從下方或側面對毛邊進行測量。與卷對卷系統集成後,我們可以進行確切的毛邊檢測,從而提供有關縱切機(預測性維護)或雷射切割品質的資訊。

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電芯由多層薄銅箔和鋁箔 (5 - 10 µm) 組成,必須將它們焊接在一起才能形成穩定且強大的電池。在此過程中,通常的做法是將 60 - 100 個箔片焊接在一起。然後,根據電池所需的容量和性能,將多層箔片堆疊起來。

在焊接堆疊起來的箔片時,除了要精確夾緊箔片之外,智慧焊接策略的作用也很重要。這樣做可以讓第一層膜到最後一層膜之間實現安全連接,且變形很小,沒有燒穿現象。通過使用過程監控系統,可以檢測到焊接異常和最小偏差,從而確保焊縫品質和可靠性。最終,這將帶來更高的產量和更好的產品品質。

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蓋帽到罐體的雷射焊接是將金屬蓋(蓋帽)焊接到金屬容器(罐體)上。這種類型的雷射焊接常用於電池生產,目的是讓電解質與外界隔絕,防止液體洩漏。這裡使用的材料是鋁或鍍鎳鋼。

蓋帽到罐體的雷射焊接不僅可用於圓柱形電池,也可用於棱柱形電池。在這兩種情況下,焊接品質對於電池的性能和可靠性至關重要。

對於 4680 等大型電池,罐體的圓度並非總是 100%。但是,必須沿著罐體的輪廓引導雷射波束,這對於焊接的緊密性非常重要。使用 ScanMaster 可以準確、快速地測出真實輪廓,並且可以相應地調整雷射波束。如此可避免焊接到電池裡,以獲得高品質焊縫。

蓋帽到罐體的雷射焊接有一個典型缺陷,那就是針孔,它會導致焊接接頭發生洩漏。雷射焊接監視器會將大針孔檢測為焊接異常情況。在後處理過程中,會通過測量焊縫的形貌結構來檢測焊縫上的最小缺陷。這樣就可以對電池進行返工,減少廢料產生。

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在組裝電池單元的過程中,電解質會均勻、完全地填充並分佈到電池中,以確保電池達到最佳性能。電池外部的電解質殘留會影響產品安全。生產的電池越多,就越迫切需要在生產線上對電池單元充液側的污染區域進行自動檢測和清除。在隨後的密封銷焊接過程中,圓柱形或棱柱形電池的充液口將採用雷射密封焊接。電解質殘留會影響焊縫的品質,並可能導致洩漏或者因焊接飛濺造成嚴重污染。這樣,電池就會發生洩漏,從而成為廢品。

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向電池單元注入電解質後,用蓋子封閉充液口並採用雷射緊密焊接。這樣可以密封電池,防止電解質逸出。電池就這樣被密封住了。

電芯焊接是一個關鍵的工序,因為它是一種緊密焊接。如果電池發生洩漏,就會報廢。雜質或飛濺物可能會導致焊縫出現微小洩漏。因此,對密封銷進行精確點焊對於確保電池密封性且電解質不洩漏具有非常重要的作用。我們的目標是以較低且局部有限的熱輸入做出無變形的緊密焊縫。每個焊縫都可以在線監控、評估和記錄。我們的系統可以檢測出不規則和有缺陷的焊縫。確保流程 100% 可追溯且透明。

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針對不同應用的各種電池類型

電動車通常使用的鋰離子電池有三種。這些電池工作的功能原理相同,具有高能量密度,可確保長距離行駛。使用軟包電池、圓柱形電池和棱柱形電池時,將它們連接起來形成電池模組,能夠提供所需的電力。但這幾種電池有什麼不同?

軟包電池

軟包電池外形扁平且通常為矩形,裝在柔軟的塑膠盒中。由於外形扁平,故能量密度更高,並且散熱更好,所以電池的性能也更強,使用壽命更長。與其他類型的電池不同,這類電池沒有堅硬的金屬外殼,因此更輕、更薄。

沒有金屬外殼有利有弊:優點是軟包電池可以呈現任何你想像得到的形狀。但缺點是,由於沒有金屬外殼,這類電池在充電時會強烈膨脹。

軟包電池常用於智慧型手機、平板和筆記本電腦等移動設備以及電動車和儲能係統。

圓柱形電池

除棱柱形電池之外,圓柱形電池是汽車工程中最常見的設計。使用這類電池的原因是它的能量密度高、性能好、可用性強。

圓柱形電池外表為圓形,類似於我們熟悉的 AA 電池。它通常比棱柱形電池小,直徑約為 18-21 mm,長約 65-70 mm,並由此衍生了 18650 和 21700 兩種不同型號的電池。生產大圓柱形電池是新趨勢,比如著名的 4680。

圓柱形電池有堅固的金屬外殼,可顯著減少膨脹,但圓形設計會導致電池在組成電池模組時出現明顯的空間損失。

棱柱形電池

棱柱形電池具有直棱柱外形和堅硬的金屬外殼。外殼可以保護電池,並提供更高的抗衝擊能力和抑制閾值。棱柱形電池由堆疊的陽極包和陰極包或捲繞的箔複合材料(陽極、隔膜、陰極)組成。棱柱形電池因其矩形外表,可以輕鬆堆疊在一起,節省空間,並放置在特殊的電池盒或電池模組中,非常適合用於電動車和其他對功率和安全要求較高的應用。目前,這種電池形式在電動車中最為常見。

电动汽车的其他应用领域

 

電池模組、電池組、電池盒

單個電芯通過接觸連接,形成電池模組和電池組,然後這些電池模組和電池組會被牢牢固定在雷射焊接的堅固電池盒和托盤中。

 

燃料電池

燃料電池由許多必須經過氣密焊接處理的雙極板組成。在大多數情況下,焊接速度非常快,對焊縫品質的要求也很高。此外,為了確保燃料電池的高性能,雙極板的幾何參數也必須保持精確。我們採用我們的 3D 測量技術感測器對這些數值進行測量。

 

 

電力電子

電力電子設備是電力驅動係統的重要組成部分。在這個部分,電流必須安全流動,因此,高品質的銅板焊接點是關鍵。

 

 

動力系統

電力驅動系統由定子、轉子和電力電子設備等部分組成。要對定子進行高質量的雷射焊接(髮卡焊接),良好剝離的髮夾線是至關重要的。我們可以檢測線上的漆殘留物,並啟用自適應雷射焊接過程。