工藝
鋰離子電池有很多種定制的外形和尺寸,盡管大多數(shù)都是圓柱體或棱柱(長(zhǎng)方體)。
鋰離子電池由石墨陽(yáng)極、金屬氧化物陰極(通常使用鋰錳、鋰鈷或鋰鐵)以及作為電解液的無(wú)水鋰鹽組成(見(jiàn)圖1)。此后,運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)器視覺(jué)程序檢查這塊電池的實(shí)際尺寸規(guī)模,為激光束計(jì)算出 佳軌跡,從而完成高完整性焊接。當(dāng)電池旋轉(zhuǎn)時(shí),高放大倍率的機(jī)器視覺(jué)設(shè)備追蹤并記實(shí)焊縫的真實(shí)軌跡(圓的、橢圓的或其他情況)。
。在諸如醫(yī)學(xué)、太空、深海應(yīng)用等,由于環(huán)境非常惡劣,一個(gè)小小的泄漏會(huì)導(dǎo)致災(zāi)害性的后果,替代一塊壞掉電池的本錢(qián)非常高,甚至?xí)猩kU(xiǎn),因此這些應(yīng)用中的安全要求更為嚴(yán)格。在焊接完成后,將非水電解液從填充孔注入電池。因此,在制造過(guò)程中,人和電池的接觸越少越好。聯(lián)邦監(jiān)管機(jī)構(gòu)一直在關(guān)注新電池技術(shù)帶來(lái)的安全題目。直到那時(shí),電池單元到達(dá)旋轉(zhuǎn)的卡盤(pán)。需要特別關(guān)注的是這樣一個(gè)事實(shí),由鋰離子電池封裝失敗引起的火災(zāi)很難被撲滅,由于碰到水后就會(huì)爆炸,而且在接觸空氣后會(huì)重新點(diǎn)燃。金屬鍛壓和成型會(huì)引起公差,這意味著尺寸會(huì)發(fā)生變化,圓柱體可能是微橢圓而不是完全的圓形,但這使缺乏機(jī)器視覺(jué)的激光焊接變得不夠可靠。鋰離子電池還有一些特別合用于移動(dòng)設(shè)備的特性:長(zhǎng)時(shí)間不用后,依然能夠保持充電量,在完全放電前進(jìn)行充電也能夠保持充電容量。
當(dāng)電池單元到達(dá)指定位置后,操縱職員安裝的自動(dòng)化程序指引機(jī)器視覺(jué)設(shè)備判定電池的高度和尺寸(
激光焊接機(jī)見(jiàn)圖3)。只有保證焊接點(diǎn)的完整性,出產(chǎn)出來(lái)的電池才能經(jīng)受住掉落、碰撞沖擊、高溫以及壓力變化。在焊接過(guò)程中,激光功率在開(kāi)始時(shí)不斷增加,然后沿著計(jì)算出的軌跡運(yùn)行。鋰離子電池單位重量的電池容量很高,因此非常相宜用于消費(fèi)電子行業(yè)。
在制造過(guò)程中,鋰離子電池的陽(yáng)極和陰極一定不能相互接觸,否則會(huì)變成“熱室”,迅速加熱甚至燃燒。
制造工藝中的一個(gè)樞紐步驟是電池外殼的焊接。恰是因?yàn)檫@個(gè)原因,激光焊接機(jī)在處理電池單元時(shí),通過(guò)傳送帶和類(lèi)似雞舍一樣的自動(dòng)門(mén),逐個(gè)進(jìn)行操縱,確保每次在絕緣室內(nèi)只有一個(gè)電池單元。
這些安全因素同鋰離子電池的制造緊密親密相關(guān)。
安全性題目
激光焊接機(jī) 基于鋰的技術(shù)有一個(gè)很大的缺點(diǎn),即鋰與空氣接觸會(huì)爆炸,特別是接觸水后更易爆炸。非常重要的一點(diǎn)是電池外殼尺寸只是標(biāo)稱尺寸。
激光焊接機(jī)固然有上述安全方面的擔(dān)心,但高容量和低重量的雙長(zhǎng)處讓鋰離子電池非常適合于另一項(xiàng)應(yīng)用——混合動(dòng)力插電式汽車(chē)。制造商們需要考慮兩方面的安全題目:一是制造電池過(guò)程中的安全,二是產(chǎn)品封裝的完整性,才能確保電池壽命內(nèi)和有效期外的使用安全。汽車(chē)部分的安全需求迫使研發(fā)職員對(duì)鋰離子化學(xué)過(guò)程進(jìn)行修改,使電池單元不易爆炸,但在進(jìn)行電池封裝制造時(shí),仍舊需要確保足夠的完整性,才能通過(guò)嚴(yán)格的碰撞試驗(yàn)。電池的一端或兩端會(huì)有蓋子,需要將蓋子焊接在電池主體上,石墨陽(yáng)極和金屬氧化物陰極位于內(nèi)部(見(jiàn)圖2)。來(lái)自美國(guó)聯(lián)邦航空局(Federal Aviation Authority)的數(shù)據(jù)顯示,從1991年3月20日到2010年8月3日這段時(shí)間,有113件“煙、火、極度高溫或爆炸”無(wú)意偶然事件涉及電池和基于電池的設(shè)備。這些特性通常被稱為“電池內(nèi)存”,是其他二次電池(如鎳金屬鹵化物電池)的主要不足之處。激光功率在焊接快結(jié)束時(shí)又逐漸下降到初始值,同焊接開(kāi)始處重疊,從而確保整個(gè)焊接光滑平坦。