01 مقدمة
وسط تحول صناعة السيارات العالمية نحو الكهرباء، تحدد بطاريات الطاقة، باعتبارها مصدر الطاقة الأساسي لمركبات الطاقة الجديدة، القدرة التنافسية في السوق للسيارات الكهربائية من خلال أدائها وسلامتها وتكلفتها. يعد تصنيع بطاريات الطاقة عملية معقدة تتضمن معرفة متعددة التخصصات بما في ذلك علوم المواد والكيمياء الكهربائية والهندسة الدقيقة. تعد تقنية الاتصال عالية الجودة-رابطًا مهمًا خلال هذه العملية. تُظهر طرق الربط التقليدية، مثل اللحام بالمقاومة واللحام بالموجات فوق الصوتية، قيودًا متزايدة-مثل التأثيرات الحرارية الكبيرة والاتساق الضعيف ونوافذ معلمات العملية الضيقة-عند مواجهة إنتاج آلي واسع النطاق- لبطاريات الطاقة والتعامل مع مواد عالية التوصيل الحراري مثل النحاس والألمنيوم. تكنولوجيا اللحام بالليزر، بكثافة الطاقة العالية، وإدخال الحرارة الذي يمكن التحكم فيه، وطبيعة عدم الاتصال، وسهولة التشغيل الآلي، تلبي المتطلبات الصارمة لتصنيع بطاريات الطاقة من حيث الدقة والكفاءة والموثوقية، وأصبحت عملية أساسية طوال سير العمل بأكمله بدءًا من إنتاج الخلايا وحتى تجميع حزمة البطارية. تهدف هذه الورقة إلى توضيح التطبيقات المحددة لتكنولوجيا اللحام بالليزر في مراحل تصنيع مختلفة لبطاريات الطاقة وتلخيص دورها الهام في تعزيز تطوير صناعة بطاريات الطاقة.
02 التطبيق في مرحلة تصنيع خلايا البطارية
خلية البطارية هي الوحدة الأساسية لبطارية الطاقة، وتعد دقة تصنيعها وختمها ضمانات أساسية لسلامة البطارية وأدائها. يستخدم اللحام بالليزر بشكل أساسي للتوصيل الدقيق والختم النهائي لخلايا البطارية. أولاً، بالنسبة للتوصيلات الكهربائية داخل خلية البطارية، يتم استخدام اللحام بالليزر لحام الألسنة. بعد اكتمال عملية اللف أو التراص، من الضروري لحام ألسنة الأقطاب الكهربائية الموجبة (رقائق الألومنيوم) والسالبة (رقائق النحاس) بقوة، والتي قد تتكون من عشرات أو حتى مئات الطبقات، جنبًا إلى جنب مع المجمعات الحالية، وتشكيل مسار كهربائي موثوق مع الأطراف الخارجية أو قطع التوصيل، كما هو موضح في الشكل 1. يمكن لللحام بالليزر دمج هذه المواد الرقيقة على الفور مع فترات نبض قصيرة للغاية، مما يشكل نقاط لحام ذات مقاومة منخفضة وقوة عالية. وتكمن ميزتها في الحد الأدنى من المنطقة المتأثرة بالحرارة-، مما يؤدي بشكل فعال إلى تجنب الضرر الناتج عن الحرارة للفواصل المجاورة والمواد النشطة، وبالتالي الحفاظ على الأداء الكهروكيميائي لخلية البطارية.
ثانيًا، في مرحلة التعبئة النهائية لخلايا البطارية، يعد اللحام بالليزر أحد الطرق الفعالة لتحقيق الختم المحكم. وفي الوقت نفسه، يتم استخدام اللحام بالليزر لتوصيل الغطاء العلوي والغلاف في كل من البطاريات ذات الغلاف الألومنيوم المربع والبطاريات ذات الغلاف الفولاذي الأسطوانية. من خلال التحكم الدقيق في قوة الليزر وسرعته وموضعه البؤري، يمكن تشكيل وصلة لحام مستمرة وناعمة وكثيفة على الغلاف، مما يمنع بشكل فعال تسرب الإلكتروليت ودخول الرطوبة الخارجية، مما يضمن الاستقرار الكيميائي لخلية البطارية طوال عمرها الافتراضي. بالنسبة لخلايا الأكياس، يتم استخدام اللحام بالليزر في عمليات الختم العلوي والختم الجانبي، ولحام الألسنة البارزة إلى قطع التوصيل والحماية الانتقالية (عادةً ما تكون من النحاس أو الألومنيوم المطلي بالنيكل-). وتضمن طبيعة عدم التلامس- كفاءة التغليف وعدم حدوث أي ضرر لمواد تغليف الأغشية البلاستيكية المصنوعة من الألومنيوم-، كما هو موضح في الشكل 2.
03 يتضمن التطبيق في مرحلة تجميع وحدات البطارية وحزم البطاريات دمج الخلايا الفردية في الوحدات وحزم البطاريات، مما يتطلب كمية كبيرة من التوصيلات الكهربائية والتثبيت الهيكلي. هذه هي المرحلة التي يكون فيها اللحام بالليزر أكثر تركيزًا وصعوبة من الناحية الفنية. فيما يتعلق بالتوصيلات الكهربائية، فإن التطبيق الأساسي هو اللحام المتسلسل والمتوازي بين الخلايا. من خلال توصيل قضبان التوصيل (عادةً قضبان الألومنيوم أو النحاس) بأطراف الخلية، يتم إنشاء نظام الدائرة الكهربائية لحزمة البطارية بأكملها.
تكمن الصعوبات في هذه العملية في: 1) تحديات خصائص المواد-لدى النحاس والألومنيوم انعكاسية عالية لأشعة الليزر تحت الحمراء شائعة الاستخدام وموصلية حرارية عالية، مما يجعل اللحام صعبًا؛ 2) ربط مواد مختلفة، مثل التوصيل بين قضبان التوصيل النحاسية وأطراف الألمنيوم، والتي تكون عرضة لتكوين مركبات بين معدنية هشة (IMCs) تؤثر على -موثوقية الاتصال على المدى الطويل. ولمواجهة هذه التحديات، طورت الصناعة عمليات متقدمة مثل اللحام بالليزر المتذبذب، واللحام الهجين (على سبيل المثال، قوس الليزر-)، واستخدام أشعة الليزر ذات الطول الموجي الجديد مثل الليزر الأخضر أو الأزرق. تعمل هذه التقنيات على منع العيوب مثل التناثر والمسامية بشكل فعال والتحكم في سمك طبقة IMC عن طريق توسيع المجمع المنصهر وتعزيز التحريك وزيادة امتصاص الطاقة، وبالتالي تحقيق التوصيلات الكهربائية. فيما يتعلق بالوصلات الهيكلية، يلعب اللحام بالليزر أيضًا دورًا مهمًا. على سبيل المثال، يمكن استخدامه للمكونات الهيكلية مثل الألواح الجانبية للوحدة والألواح الطرفية التي تعمل على تأمين الخلايا، بالإضافة إلى توصيل علبة البطارية وغطاءها. بالمقارنة مع التوصيلات اللولبية أو البرشام التقليدية، يمكن أن يحقق اللحام بالليزر درجة أعلى من التكامل والقوة الهيكلية، مما يساعد على تحسين مقاومة مجموعة البطارية للاهتزاز والتأثير. بالإضافة إلى ذلك، يتم تصنيع اللحامات الصغيرة في دوائر أجهزة استشعار الجهد ودرجة الحرارة في أنظمة إدارة البطاريات بشكل متزايد باستخدام اللحام بالليزر لضمان الاستقرار والموثوقية في الحصول على الإشارة على المدى الطويل.
04 ملخصتم دمج تقنية اللحام بالليزر، بما تتميز به من دقة وسرعة وموثوقية عالية، في كل خطوة من خطوات تصنيع بطاريات الطاقة. بدءًا من لحام علامة التبويب الخلوية المجهرية إلى التوصيلات الهيكلية لحزمة البطارية الكبيرة الحجم، ومن التغليف المحكم الذي يضمن سلامة الخلية إلى التوصيلات الكهربائية ذات المقاومة المنخفضة -التي تحدد أداء البطارية، يلعب اللحام بالليزر دورًا أساسيًا لا يمكن استبداله. فهو لا يحل بشكل فعال تحديات معالجة -المواد التي يصعب لحامها-مثل النحاس والألومنيوم، مما يلبي متطلبات الكفاءة والاتساق للإنتاج الآلي على نطاق واسع-، ولكنه يعمل أيضًا على زيادة حماية الأداء الكهروكيميائي للبطارية إلى أقصى حد من خلال التحكم الدقيق في حرارة اللحام. أصبح نضج وتطور تكنولوجيا اللحام بالليزر محركًا تكنولوجيًا رئيسيًا يؤدي إلى زيادة كثافة طاقة بطارية الطاقة، وتخفيضات في تكاليف التصنيع، وتحسينات في أداء السلامة، مما يوفر أساسًا تصنيعيًا متينًا للتطور السريع لصناعة مركبات الطاقة الجديدة العالمية.
