激光焊接在鋰電池領(lǐng)域的應(yīng)用

鋰離子電池由于具有比能量高、循環(huán)壽命長、自放電小、無記憶效應(yīng)和無污染等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備（如移動電話、筆記本電腦、PDA、數(shù)碼相機及數(shù)碼攝像機等）以及交通工具（巡邏車、電動自行車、電動汽車等）上，成為我國能源領(lǐng)域重點支持的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

動力電池指應(yīng)用于電動車的電池，是相對于小容量電池（如手機、筆記本電腦電池等）而言的，具有較大的容量和輸出功率，可用于電動車輛驅(qū)動電源及大型移動電源應(yīng)用領(lǐng)域的二次電池。鋰離子電池或電池組的制作工序非常多，而其中有多道工序，如防爆閥密封焊接、極耳焊接、軟連接焊接、安全帽點焊、電池殼體密封焊接、模組及PACK焊接都以激光焊接為最佳工藝。動力電池用于焊接的材質(zhì)主要有純銅、鋁及鋁合金、不銹鋼等。

圖表 1 激光焊接在鋰電池中的應(yīng)用

1、電池防爆閥焊接

電池的防爆閥是電池封口板上的薄壁閥體, 當(dāng)電池內(nèi)部壓力超過規(guī)定值時, 防爆閥閥體破裂, 避免電池爆裂。安全閥結(jié)構(gòu)巧妙，這道工序?qū)す夂附庸に囈髽O為嚴格。沒有采用連續(xù)激光焊接之前，電池防爆閥的焊接都是采用脈沖激光器焊接，通過焊點與焊點的重疊和覆蓋來實現(xiàn)連續(xù)密封焊接，但焊接效率較低，且密封性相對較差。采用連續(xù)激光焊接可以實現(xiàn)高速高質(zhì)量的焊接，焊接穩(wěn)定性、焊接效率以及良品率都能夠得到保障。

2、電池極耳焊接

極耳通常分為三種材料，電池的正極使用鋁（Al）材料，負極使用鎳（Ni）材料或銅鍍鎳（Ni-Cu）材料。在動力電池的制造過程中，其中的一個環(huán)節(jié)是將電池極耳與極柱焊接到一起。在二次電池的制作中需要將其與另外一鋁制的安全閥焊接在一起。焊接不僅要保證極耳與極柱之間的可靠連接，而且要求焊縫平滑美觀。

3、電池極帶點焊

電池極帶使用的材質(zhì)包括純鋁帶、鎳帶、鋁鎳復(fù)合帶以及少量的銅帶等。電池極帶的焊接一般使用脈沖焊接機，隨著IPG公司QCW準(zhǔn)連續(xù)激光器的出現(xiàn)，其在電池極帶焊接上也得到了廣泛的應(yīng)用，同時由于其光束質(zhì)量好、焊斑能夠做到很小，其在應(yīng)對高反射率的鋁帶、銅帶以及窄帶電池極帶（極帶寬度在1.5mm以下）的焊接有著獨特的優(yōu)勢。

4、動力電池殼體與蓋板封口焊接

動力電池的殼體材料有鋁合金和不銹鋼，其中采用鋁合金的最多，一般為3003鋁合金，也有少數(shù)采用純鋁。不銹鋼是激光焊接性最好的材質(zhì)，尤其304不銹鋼，無論是脈沖還是連續(xù)激光都能夠獲得外觀和性能良好的焊縫。

鋁及鋁合金的激光焊焊接性能根據(jù)采用焊接方式的不同而略有差異。除了純鋁和3系鋁合金采用脈沖焊接和連續(xù)焊接都沒有問題，其他系列鋁合金最優(yōu)選擇連續(xù)激光焊接方式，以減小裂紋敏感性。同時，根據(jù)動力電池殼體厚度選擇合適功率的激光器，一般殼體厚度1mm以下時，可考慮采用1000W以內(nèi)單模激光器，厚度在1mm以上需使用1000W以上單?；蚨嗄＜す馄?。

小容量鋰電池常采用比較薄的鋁殼（厚度在0.25mm左右），也有18650之類的采用鋼殼。由于殼體厚度的關(guān)系，此類電池的焊接一般采用較低功率的激光器即可。使用連續(xù)激光器焊接薄殼鋰電池，效率可以提升5~10倍，且外觀效果和密封性更好。因此有逐漸取代脈沖激光器在這個應(yīng)用領(lǐng)域的趨勢。

5、動力電池模組及pack焊接

動力電池之間的串并聯(lián)一般通過連接片與單體電池的焊接來完成，正負極材質(zhì)不同，一般有銅和鋁2種材質(zhì)，由于銅和鋁之間采用激光焊接后形成脆性化合物，無法滿足使用要求，通常采用超聲波焊接外，銅和銅、鋁和鋁一般均采用激光焊接。同時，由于銅和鋁傳熱均很快，且對激光反射率非常高，連接片厚度相對較大，因此需要采用較高功率的激光器才能夠?qū)崿F(xiàn)焊接。

激光焊接鋰電池的特點

從鋰電池電芯的制造到電池PACK成組，焊接都是一道很重要的制造工序，鋰電池的導(dǎo)電性、強度、氣密性、金屬疲勞和耐腐蝕性，是典型的電池焊接質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)。焊接方法和焊接工藝的選用，將直接影響電池的成本、質(zhì)量、安全以及電池的一致性。激光焊接憑借焊接安全可靠、工藝精密、環(huán)保等優(yōu)勢，成為了很多焊接任務(wù)的首選方案。

圖表 2 激光焊接的特點及優(yōu)勢

鋰電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r分析

1、鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況

經(jīng)過十多年的發(fā)展，中國鋰電池行業(yè)已經(jīng)建立了包含鋰礦采選、材料供應(yīng)、電芯及PACK、電池回收等各個環(huán)節(jié)的完整產(chǎn)業(yè)鏈。鋰電池行業(yè)在下游市場需求推動下，產(chǎn)量規(guī)模保持高速增長，從2012年的17.2 Gwh增長到2017年的88.7 Gwh，5年時間內(nèi)，產(chǎn)量增長了4倍。

圖表 3 2012 -2017年中國鋰電池芯年產(chǎn)量及增速（單位：Gwh）

電動交通工具（最主要是新能源汽車）、3C數(shù)碼、儲能行業(yè)是鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的三大推動力。2016年，新能源汽車以30.8 GWh的需求量超過3C數(shù)碼，成為鋰電池最大消費市場，到2017年動力電池產(chǎn)量增長至44.5GWh。儲能電池發(fā)展?jié)摿薮螅捎诩夹g(shù)、政策等原因仍處于市場導(dǎo)入階段，相對于動力電池相對滯后。未來隨著技術(shù)逐漸成熟，儲能市場也將成為拉動鋰電池消費的另一極。

2、新能源汽車及動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況

隨著全球能源危機和環(huán)境污染問題日益突出，產(chǎn)業(yè)節(jié)能化、環(huán)保化發(fā)展被高度重視，新能源汽車出現(xiàn)爆發(fā)式增長。產(chǎn)量由2012年1.26萬輛增長至2017年的79.4萬輛，年復(fù)合增長率高達99.4%。2017年產(chǎn)銷分別為79.4萬輛和77.7萬輛，同比分別增長53.6%和53.3%，產(chǎn)銷量同比增速分別提高了2.1和0.3個百分點。2017年新能源汽車市場占比2.7%，比上年提高了0.9個百分點。中國已超過美國成為全球范圍內(nèi)第一大新能源汽車市場，連續(xù)三年產(chǎn)銷量居世界第一。

圖表 4 2012-2017年中國新能源汽車產(chǎn)量（ 單位 ：萬輛）

動力電池作為新能源汽車核心零部件，其發(fā)展緊隨新能源汽車整體市場趨勢，動力電池市場也呈現(xiàn)爆發(fā)式發(fā)展趨勢，資本的大量涌入帶動了力電池產(chǎn)量的大幅提升。

圖表5 2012-2017年中國動力電池需求量分析及預(yù)測（單位：Gwh）

2017年中國汽車用動力電池產(chǎn)量達到44.5Gwh，同比增長45%。OFweek預(yù)計，未來四年，動力電池需求量將保持著40%以上的年復(fù)合增長速度，到2020年，中國新能源汽車動力電池需求量將突破120Gwh。