01 소개
전 세계 자동차 산업이 전동화 추세에 있는 가운데, 신에너지 자동차의 핵심 에너지원인 동력전지는 성능, 안전성, 가격 등을 통해 전기자동차의 시장 경쟁력을 좌우하고 있습니다. 전원 배터리 제조는 재료과학, 전기화학, 정밀공학 등 학제간 지식이 필요한 복잡한 프로세스입니다. 고품질-연결 기술은 이 프로세스 전반에 걸쳐 중요한 연결 고리입니다. 저항 용접 및 초음파 용접과 같은 기존 접합 방법은 전력 배터리를 대규모로 자동화하고 구리 및 알루미늄과 같은 열전도율이 높은 재료를 취급할 때 열 효과가 크고 일관성이 낮으며 공정 매개변수 범위가 좁다는- 한계가 점점 더 많이 나타납니다.- 높은 에너지 밀도, 제어 가능한 열 입력, 비-자동화 특성을 갖춘 레이저 용접 기술은 정밀성, 효율성 및 신뢰성에 대한 파워 배터리 제조의 엄격한 요구 사항을 충족하며 셀 생산에서 배터리 팩 조립까지 전체 작업 흐름에 걸쳐 핵심 프로세스가 되었습니다. 이 논문의 목적은 파워 배터리의 다양한 제조 단계에서 레이저 용접 기술의 구체적인 적용을 설명하고 파워 배터리 산업의 발전을 촉진하는 데 있어 레이저 용접 기술의 중요한 역할을 요약하는 것입니다.
02 Battery Cell 제조단계 적용
배터리 셀은 파워 배터리의 기본 단위이며, 제조 정밀도와 밀봉은 배터리 안전과 성능을 보장하는 필수 요소입니다. 레이저 용접은 주로 배터리 셀의 정밀한 연결 및 최종 밀봉에 사용됩니다. 첫째, 배터리 셀 내부의 전기 연결을 위해 레이저 용접을 사용하여 탭을 용접합니다. 권취 또는 적층 공정이 완료된 후 그림 1과 같이 수십 또는 수백 층으로 구성될 수 있는 양극(알루미늄 호일) 및 음극(구리 호일) 전극의 탭을 집전체와 함께 단단히 용접하고 외부 단자 또는 연결 조각과 안정적인 전기 경로를 형성해야 합니다. 레이저 용접은 매우 짧은 펄스 지속 시간으로 이러한 얇은 재료를 순간적으로 융합하여 낮은 저항과 높은 강도의 용접 지점을 형성할 수 있습니다. 이 제품의 장점은 열 영향을 최소화하는- 영역에 있으며, 인접한 분리막과 활물질의 열 손상을 효과적으로 방지하여 배터리 셀의 전기화학적 성능을 보존합니다.
둘째, 배터리 셀의 최종 패키징 단계에서 레이저 용접은 기밀 밀봉을 달성하는 효과적인 방법 중 하나입니다. 동시에 레이저 용접은 사각형 알루미늄 쉘 배터리와 원통형 강철 쉘 배터리의 상단 덮개와 케이스를 연결하는 데 사용됩니다. 레이저 출력, 속도 및 초점 위치를 정밀하게 제어함으로써 케이싱에 연속적이고 매끄럽고 조밀한 용접 이음매를 형성하여 전해액 누출 및 외부 습기 유입을 효과적으로 방지하고 배터리 셀의 수명 내내 화학적 안정성을 보장합니다. 파우치 셀의 경우 상단 밀봉 및 측면 밀봉 공정에 레이저 용접이 사용되어 돌출 탭을 연결 및 보호 전환 부분(일반적으로 니켈-도금 구리 또는 알루미늄)에 용접합니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 비접촉식 특성으로 인해 포장 효율성이 보장되고 알루미늄-플라스틱 필름 포장재가 손상되지 않습니다.
03 배터리 모듈 및 배터리 팩 조립 단계에서의 적용은 개별 셀을 모듈 및 배터리 팩에 통합하는 작업이므로 많은 양의 전기 연결 및 구조적 고정이 필요합니다. 이것은 레이저 용접이 가장 집중적이고 기술적으로 어려운 단계입니다. 전기 연결 측면에서 핵심 응용 분야는 셀 간의 직렬 및 병렬 용접입니다. 버스바(보통 알루미늄이나 구리바)를 셀 단자에 연결하면 배터리 팩 전체의 전기 회로 시스템이 구성된다.
이 공정의 어려움은 다음과 같습니다. 1) 재료 특성 문제-구리와 알루미늄은 일반적으로 사용되는 적외선 레이저에 대한 반사율이 높고 열 전도성이 높아 용접이 어렵습니다. 2) 구리 버스바와 알루미늄 단자 사이의 연결과 같이 서로 다른 재료를 결합하는 경우 연결의 장기적인-신뢰도에 영향을 미치는 부서지기 쉬운 금속간 화합물(IMC)이 형성되기 쉽습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 업계에서는 진동 레이저 용접, 하이브리드 용접(예: 레이저-아크), 녹색 또는 파란색 레이저와 같은 새로운 파장 레이저 사용과 같은 고급 프로세스를 개발했습니다. 이러한 기술은 용융 풀의 확장, 교반 강화, 에너지 흡수 증가를 통해 스패터 및 기공과 같은 결함을 효과적으로 억제하고 IMC 층의 두께를 제어함으로써 전기적 연결을 달성합니다. 구조적 연결 측면에서 레이저 용접도 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 셀을 고정하는 모듈 측판, 엔드 플레이트 등 구조 부품에 사용할 수 있을 뿐만 아니라 배터리 팩 케이스와 커버를 연결하는 데에도 사용할 수 있습니다. 기존 나사 또는 리벳 연결과 비교하여 레이저 용접은 더 높은 수준의 통합 및 구조적 강도를 달성할 수 있어 배터리 팩의 진동 및 충격에 대한 저항력을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 또한 신호 획득의 장기적인 안정성과 신뢰성을 보장하기 위해 레이저 용접을 사용하여 배터리 관리 시스템의 전압 및 온도 센서 획득 회로에 작은 용접을 하는 경우가 점점 늘어나고 있습니다.
04 요약높은 정밀도, 속도 및 신뢰성을 갖춘 레이저 용접 기술은 파워 배터리 제조의 모든 단계에 통합되었습니다. 마이크로 규모 셀 탭 용접부터 대규모 배터리 팩 구조 연결까지, 셀 안전을 보장하는 밀폐 포장부터 배터리 성능을 결정하는 낮은-저항 전기 연결까지, 레이저 용접은 대체할 수 없는 핵심 역할을 합니다. 이는 구리 및 알루미늄과 같이 용접이 어려운-자재를 처리하는 문제를 효과적으로 해결하여 대규모 자동화 생산의 효율성 및 일관성 요구 사항을 충족할 뿐만 아니라 용접 열의 정밀한 제어를 통해 배터리의 전기화학적 성능 보호를 극대화합니다. 레이저 용접 기술의 성숙과 발전은 파워 배터리 에너지 밀도 증가, 제조 비용 절감, 안전 성능 향상을 주도하는 핵심 기술 엔진이 되어 글로벌 신에너지 자동차 산업의 급속한 발전을 위한 견고한 제조 기반을 제공하고 있습니다.
