Лазерный мир

Мэтью Дейл обнаруживает, что лазерная сварка позволяет производителям аккумуляторов решать растущие потребности Электромобильной промышленности.

            В продолжающейся борьбе с изменением климата национальные целевые показатели устанавливаются для сокращения выбросов углерода и увеличения производства электромобилей. В Китае правительство намерено мобилизовать пять миллионов «новых энергетических» автомобилей на своих дорогах к 2020 году, в то время как федеральный совет Германии, Бундесрат, намерен полностью запретить производство двигателей внутреннего сгорания к 2030 году. В результате объем производящихся электромобилей  резко возрос.

            Тем не менее, жюри все еще  работает над вопросом, на каком из типов аккумуляторных батарей будут задействованы эти транспортные средства будущего. Хотя это все еще определяется, производители ищут самый быстрый и эффективный способ производства этих ячеек.

            В то время как такие технологии, как ультразвуковая сварка, использовались для производства аккумуляторных батарей в прошлом, они оказались ограниченными по функциональности, и в настоящее время они заменяются превосходными методами лазерной сварки, которые обеспечивают более высокую гибкость, более высокую производительность  и снижение производственных затрат. Один из крупнейших в мире производителей E-мобильных авто BYD недавно приобрел 120 волоконных лазеров для производства батарей, а Fraunhofer ILT в настоящее время разрабатывает новые и улучшенные методы лазерной сварки, которые способны заменить стандартные ультразвуковые технологии.

            По словам д-ра Александра Оловнинского, менеджера группы микросоединений на Fraunhofer ILT, волоконные лазеры были ключевым инструментом в сокращении ввода энергии, ширине сварного шва и глубинах сварки, используемых в производстве батарей, благодаря их точности и гибкости. «Волоконные лазеры с высоким качеством луча обеспечивают тонкое фокусное пятно диаметром менее 40 мкм или даже меньше», — пояснил он. «Быстрый метод модуляции, сочетающий линейную подачу с круговыми колебаниями, обеспечивает стабильное управление глубиной сварного шва». Лазеры, таким образом, являются «идеальным инструментом с точки зрения энергозатрат, надежности и производительности», — сказал Оловинский.

            Расширение производства.

            В соответствии с национальными целевыми показателями выбросов, «Лондонский транспорт» обязался включить к 2020 году 300 электрических автобусов в свой парк транспортных средств — один из которых является первым в мире электрическим двухэтажным автобусом, который в настоящее время работает. Автомобиль был спроектирован и построен фирмой BYD, китайской технологической фирмой, и питается  от собственной железо-фосфатной батареей  — более безопасной и пригодной для повторного использования альтернативой литий-ионным батареям, которые сильно задействованы в  мобильной электронике. Для массового производства этих батарей BYD установила 120 волоконных лазеров Trumpf на своей аккумуляторной установке в Китае — 70 TruDisk-лазеров и 50 TruPulse-лазеров.

            Волоконные лазеры TruDisk подходят для сварки высокоотражающих материалов, таких как медь и алюминий. Они используются BYD для сварки соединений между ячейками в  железо-фосфатной батареей. Лазеры TruPulse затем используются для герметизации корпусов батарей, чтобы сделать их полностью газонепроницаемыми.

            Марк Кирххофф (Marc Kirchhoff), глава отдела индустрии и управления основными учетными записями в Trumpf, сказал, что эти системы позволяют пользователю точно синхронизировать мощность и движение лазерного пятна, позволяя очень малые фокусные диаметры от 80 до 100 мкм. Этот уровень точности требуется для производства батарей, чтобы защитить внутренние компоненты ячеек. «Когда вы хотите герметизировать алюминиевый баллончик для призматической батарейки, если слишком много энергии будет введено, то химическое содержимое ячейки может быть уничтожено», — объяснил Кирхгоф.

            «Процесс сварки должен оказывать наименьшее влияние на окружающий материал», — сказал Лю Хуапинг, менеджер отдела технологических процессов BYD. «Большинство наших сварочных операций включают в себя толщину деталей не более двух миллиметров или даже меньше … тонкие сварные швы, низкая теплоотдача, низкое внутреннее напряжение и минимальные искажения — наши основные требования». Лазеры Trumpf способны достичь этого с высокой степенью точности из-за управления мощностью с обратной связью, которое они используют, что позволяет им обеспечивать высокую стабильную выходную мощность и, следовательно, минимальное изменение глубины сварки шва детали.

            Два TruDisk-лазера в твердотельной системе вместе с программируемой фокусирующей оптикой могут сформировать типичную ячейку для сварки батарей. «Регулируя фокусировку лазерного луча, мы можем быстро перейти от одной точки сварки к следующей», — сказал Хуапинг. «Этот процесс не должен генерировать слишком много тепла, потому что это может повредить внутренние компоненты … Выбранный метод  идеально подходит , поскольку он позволяет материалу остывать между последовательными лазерными импульсами».

            По словам Кирхгофа, E-мобильных авто  является очень быстро растущим рынком для Trumpf. «Примерно через 10 лет мы думаем, что более 30 процентов автомобилей будут электрическими», — прокомментировал он. «С целями выбросов углерода, существующими во всем мире в странах и городах, в отдельных районах будет наблюдаться все более высокий запрет на двигатели внутреннего сгорания, поэтому произойдут большие изменения».

BYD выпустил первый в мире двухэтажный электрический автобус для London Transport (Image: Trumpf)

            Отличные сварные швы.

            Исследователи из Института лазерной технологии им. Фраунгофера ILT разрабатывают альтернативный метод соединения аккумуляторных батарей с использованием лазеров с целью замены используемой иногда ультразвуковой сваркой проволокой   и  лентой. Работа, которая была проведена в рамках финансируемого государством проекта RoBE (Robust Bonds in Electric Vehicles), была представлена в ICALEO в Сан-Диего в октябре прошлого года.

            По словам Оловинского, ультразвуковая сварка  имеет определенные ограничения. «Подложки должны быть чистыми и не вибрирующими, потому что ввод энергии осуществляется с помощью ультразвукового инструмента … Если подложка вибрирует на той же частоте, что и лента, тогда нет трения и, следовательно, нет сварки». Ультразвуковая сварка также работает только с  лентами шириной до 3 мм. что по его словам, ограничивает текущую емкость каждой связи из-за малого поперечного сечения. Использование ширины, превышающей это, требует большей силы для создания соединения, чем может применяться при ультразвуковой сварке.

            По словам Оловинского, Tesla ранее использовала ультразвуковую проволочную и ленточную сварку для подключения приблизительно 7 800 ячеек в каждой из своих аккумуляторных батарей. Для обеспечения достаточной емкости по току требуется по меньшей мере две полосы на ячейку батареи, что означает, что необходимо сваривать примерно 15 600 проводов на один аккумулятор. Поэтому малая толщина проводов и лент привела к увеличению времени обработки.

Olowinsky и его коллеги вместо этого используют лазеры для образования ленточных связей, что устраняет ограничения ультразвукового склеивания и позволяет использовать большую ширину ленты между ячейками батареи. «Мы рассматриваем ленты шириной до 10 мм, которые в три раза превышают сегодняшние стандарты», — подтвердил Оловинский. «Когда мы заменяем провод более толстой лентой, мы создаем гораздо большее поперечное сечение для проведения тока от ячейки к ячейке. Это позволяет нам лучше использовать энергию из ячеек ». Увеличенная толщина также приводит к тому, что требуется только один кусок материала, чтобы обеспечить достаточную текущую емкость, что приводит к сокращению времени производства, поскольку требуется меньшее количество сварных швов.

            Используя волоконный лазер мощностью менее 1 кВт, группа достигла времени 100 мс на шов, что соответствует одной сварки петли  ленты в секунду. Применение этого как к положительному, так и к отрицательному концам ячейки приводит к необходимости только двух секунд для подключения каждой ячейки.

            В настоящее время три основных типа аккумуляторных батарей входят в стандартную Электромобильность: 18 650 ячеек, которые являются маленькими, цилиндрическими и обеспечивают относительно низкое энергопотребление, что означает, что для питания стандартного электромобиля требуется около 10 000 единиц; пакетные мешочные ячейки, которые обеспечивают гораздо более высокое энергетическое содержание и поэтому требуют только 120 ячеек для обеспечения одинаковой выходной мощности; и призматические ячейки, которые обеспечивают аналогичную выходную мощность для пакетных мешочных ячеек.

            «Он по-прежнему открыт для того, какой тип ячеек станет стандартом», — сказал Оловинский. «Большой вопрос: какой тип батареи победит? В будущем, безусловно, будут изменения, и в будущем появятся новые системы батарей, но, несомненно, … с точки зрения технологии производства, даже для новых типов батарейных ячеек … потребность в надежных технологиях соединения остается незатронутой ».

            Olowinsky также считает, что лазеры также будут в большей степени применяться в других приложениях, «как сушка и функционирование суспензии и слоев, удаление материала, резка электродов и герметизация герметичной упаковки».

            В заключение он пояснил, что для производства большого количества автомобилей в будущем в отрасли аккумуляторов должно быть сделано гораздо больше лазерных установок, что еще больше стимулирует лазерный рынок. «Все больше и больше логистики, а также [более короткое] время цикла будут стимулировать развитие технологии производства. Поскольку мы рассматриваем лазеры как важный инструмент в этой области, Электромобильность будет способствовать развитию лазерной промышленности ».

Серия FL Coherent-Rofin хорошо оснащена для обратного отражения при лазерной обработке

            Правильный инструмент для работы.

            По словам Матиаса Шлетта, главы  ключевого подразделения, ответственного за аккумуляторную  промышленность для высокомощных волоконных лазеров на Coherent-Rofin, в настоящее время наблюдается тенденция к увеличению объемов производства и более высокой скорости производства батарей, что, в свою очередь, требует более высоких лазерных мощностей. После слияния с Rofin-Sinar Technologies в конце прошлого года Coherent (теперь Coherent-Rofin) видит себя в лучшем положении для решения этих требований.

            «Мы готовы реагировать на рынок, наращивать производство лазеров для удовлетворения большего спроса», — сказал Шлетт. «Мы теперь более крупная фирма и можем посвятить нашу сервисную деятельность растущим рынкам».

            Компания предлагает интегрированный пакет решений Rofin FL и SPS (Scanner processing solution) для производства аккумуляторных ячеек, который, по словам Шлетта, все больше и больше тяготеет в отрасли . «SPS помогает повысить производительность», — пояснил Вольфрам Рат (Wolfram Rath), руководитель линейки высокомощных волоконных лазеров на Coherent-Rofin. «Сканирующее устройство … [предлагает] легкую манипуляцию лучом, предоставляя высокую гибкость в поле».

            SPS можно использовать  одномодовые лазеры с размером пятна от 40 до 80 мкм и позволяет пользователям выполнять «интеллектуальные сварные швы», манипулируя результатами сварки с использованием методов колебаний, чтобы пространственно модулировать лазерный луч.

«Это позволяет быстро перепрыгивать с одного места сварки на другое, так что вы можете иметь несколько корпусов батарей в одном поле сканирования и сваривать один за другим», — сказал Рат. «Разъемы разной формы также могут быть приварены друг за другом».

Лазер Rofin FL, согласно Rath, подходит для обработки соединений из нержавеющей стали, алюминия или меди при производстве батарей, например алюминиево-алюминиевых сварных швов компонентов безопасности и электродов в призматических ячейках. Высокая отражательная способность металлов часто представляет собой проблему в производстве батарей. Однако из-за эффекта обратного  отражения возможны повреждения лазерного оборудования. Поэтому Coherent-Rofin учитывает эту проблему при проектировании своей серии FL. «У нас есть технологии, чтобы сделать лазер надежным и теплостойким, потому что повышение температуры является основной проблемой для волоконно-оптических компонентов, — пояснил Рат.

«Затем у нас есть специальные методы для рассеивания отраженной назад мощности и охлаждения компонентов водой. У нас также есть датчики для обнаружения отраженной  мощности  и быстрая функция отключения для защиты лазера от повреждений ».

            Региональное доминирование.

            Азия рассматривается как Trumpf так и Coherent-Rofin, как доминирующий регион для производства батарей для Электромобильности, которые, по словам Кирхгофа, в основном происходят в Южной Корее, Японии и Китае. «Это где наши основные клиенты для этих типов батарейных ячеек расположены сегодня».

            Согласно статье в Financial Times, китайские производители аккумуляторов начинают завоевывать доминирующее положение на рынке, которое в течение последних трех десятилетий возглавлялось южнокорейскими и японскими производителями, такими как Panasonic, который производит батареи для Tesla. По оценкам Goldman Sachs, это доминирование будет достигнуто к 2025 году, и к этому времени рынок батарей для Е-мобильности будет стоить 40 миллиардов долларов.

            BYD, находясь в тройке компаний по производству Е-мобильности, также производит целые электромобили — в прошлом году было продано 11 000 электрических автобусов. По словам Кирхгофа, в настоящее время компания наращивает производственные мощности, строя все больше производственных линий в Китае.

            В то время как Азия является доминирующим регионом на данный момент, можно предположить, что распространение других регионов, таких как США и Европа, можно увидеть, согласно Рату. Это связано с тем, что местное производство в конечном итоге произойдет, когда Е-мобильность станет более распространенной во всем мире.

Рекомендации

[1] Подключение аккумуляторных батарей посредством алюминиевой ленты с использованием лазерной микросварки: Helm et al.

Компания: FRAUNHOFER ILT

TRUMPF

КОГЕРЕНТНОГО ROFIN

https://www.lasersystemseurope.com/feature/bonding-batteries