工藝
鋰離子電池有很多種定制的外形和尺寸,盡管大多數都是圓柱體或棱柱(長方體)。
鋰離子電池由石墨陽極、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水鋰鹽組成(見圖1)。此后,運動控制和機器視覺程序檢查這塊電池的實際尺寸規模,為激光束計算出 佳軌跡,從而完成高完整性焊接。當電池旋轉時,高放大倍率的機器視覺設備追蹤并記實焊縫的真實軌跡(圓的、橢圓的或其他情況)。
。在諸如醫學、太空、深海應用等,由于環境非常惡劣,一個小小的泄漏會導致災害性的后果,替代一塊壞掉電池的本錢非常高,甚至會有生命危險,因此這些應用中的安全要求更為嚴格。在焊接完成后,將非水電解液從填充孔注入電池。因此,在制造過程中,人和電池的接觸越少越好。聯邦監管機構一直在關注新電池技術帶來的安全題目。直到那時,電池單元到達旋轉的卡盤。需要特別關注的是這樣一個事實,由鋰離子電池封裝失敗引起的火災很難被撲滅,由于碰到水后就會爆炸,而且在接觸空氣后會重新點燃。金屬鍛壓和成型會引起公差,這意味著尺寸會發生變化,圓柱體可能是微橢圓而不是完全的圓形,但這使缺乏機器視覺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設備的特性:長時間不用后,依然能夠保持充電量,在完全放電前進行充電也能夠保持充電容量。
當電池單元到達指定位置后,操縱職員安裝的自動化程序指引機器視覺設備判定電池的高度和尺寸(
激光焊接機見圖3)。只有保證焊接點的完整性,出產出來的電池才能經受住掉落、碰撞沖擊、高溫以及壓力變化。在焊接過程中,激光功率在開始時不斷增加,然后沿著計算出的軌跡運行。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電子行業。
在制造過程中,鋰離子電池的陽極和陰極一定不能相互接觸,否則會變成“熱室”,迅速加熱甚至燃燒。
制造工藝中的一個樞紐步驟是電池外殼的焊接。恰是因為這個原因,激光焊接機在處理電池單元時,通過傳送帶和類似雞舍一樣的自動門,逐個進行操縱,確保每次在絕緣室內只有一個電池單元。
這些安全因素同鋰離子電池的制造緊密親密相關。
安全性題目
激光焊接機 基于鋰的技術有一個很大的缺點,即鋰與空氣接觸會爆炸,特別是接觸水后更易爆炸。非常重要的一點是電池外殼尺寸只是標稱尺寸。
激光焊接機固然有上述安全方面的擔心,但高容量和低重量的雙長處讓鋰離子電池非常適合于另一項應用——混合動力插電式汽車。制造商們需要考慮兩方面的安全題目:一是制造電池過程中的安全,二是產品封裝的完整性,才能確保電池壽命內和有效期外的使用安全。汽車部分的安全需求迫使研發職員對鋰離子化學過程進行修改,使電池單元不易爆炸,但在進行電池封裝制造時,仍舊需要確保足夠的完整性,才能通過嚴格的碰撞試驗。電池的一端或兩端會有蓋子,需要將蓋子焊接在電池主體上,石墨陽極和金屬氧化物陰極位于內部(見圖2)。來自美國聯邦航空局(Federal Aviation Authority)的數據顯示,從1991年3月20日到2010年8月3日這段時間,有113件“煙、火、極度高溫或爆炸”無意偶然事件涉及電池和基于電池的設備。這些特性通常被稱為“電池內存”,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束時又逐漸下降到初始值,同焊接開始處重疊,從而確保整個焊接光滑平坦。