鋰電激光專題研究-電池技術(shù)+制造工藝進步激光應(yīng)用持續(xù)提升

鋰電激光專題研究：電池技術(shù)+制造工藝進步，激光應(yīng)用持續(xù)提升1.激光焊接：工藝壁壘較高，大圓柱等新電池技術(shù)拉動焊接量上行激光技術(shù)具有高效精密、靈活、可靠穩(wěn)定、焊材損耗小、自動化和安全程度高等特點被充分應(yīng)用于鋰電池切割、清洗、焊接、打碼等工序中。根據(jù)激光制造網(wǎng)官方微信公眾號信息，在國家政策的大力支持及新能源汽車推廣應(yīng)用進程加快的帶動下，中國車用動力電池需求大幅增長。新能源汽車電池、電機、電控三大核心零部件中，核心部件動力鋰電池在整車成本中所占比例高，也直接決定整車續(xù)航里程。鋰電池的生產(chǎn)制造是由一道道工序連接而成，其生產(chǎn)過程主要分為極片制造、電芯制作以及電池組裝三部分。鋰電池質(zhì)量直接決定新能源汽車的性能，因此對其制造工序有著極高的精度要求。激光技術(shù)作為先進的“光”制造工具，以其高效精密、靈活、可靠穩(wěn)定、焊材損耗小、自動化和安全程度高等特點，被應(yīng)用于動力鋰電池部件加工的切割、清洗、焊接和打碼等工序中。2.激光焊接：工藝壁壘較高，大圓柱等新電池技術(shù)拉動焊接量上行2.1原理：保障電池安全性，焊接質(zhì)量取決于激光器能量控制與過程工藝參數(shù)激光焊接具有熔深深、速度快、變形小等諸多優(yōu)點，可大幅提升動力電池的安全性。根據(jù)聯(lián)贏激光招股說明書，激光焊接作為一種現(xiàn)代焊接技術(shù)，具有熔深深、速度快、變形小、對焊接環(huán)境要求不高、功率密度大、不受磁場的影響、不局限于導電材料、不需要真空的工作條件并且焊接過程中不產(chǎn)生X射線等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于高端精密制造領(lǐng)域，尤其是新能源汽車及動力電池行業(yè)。動力電池焊接部位多、難度大、精度要求高，動力電池廠商對電池生產(chǎn)設(shè)備的自動化、安全性、精密性、加工效率的要求也高。激光焊接技術(shù)獨特的優(yōu)勢可大幅提升電池的安全性、可靠性、一致性，降低成本，延長使用壽命，成為了動力電池廠商最優(yōu)的選擇。性、可靠性、一致性，降低成本，延長使用壽命，成為了動力電池廠商最優(yōu)的選擇。決定激光焊接質(zhì)量的主要核心要素為激光器能量控制及焊接工藝技術(shù)。①激光器能量控制：根據(jù)聯(lián)贏激光招股說明書，由于被焊接的材料對不同波長激光的吸收率不同（可以從5%到50%不等），激光器選擇不同，焊接效果完全不同。為了對焊件輸出統(tǒng)一、穩(wěn)定的焊接激光束，就需要激光輸出功率具有良好的一致性或者能夠精確控制激光輸出功率，功率過低會導致焊接熔融不足而影響焊接質(zhì)量，功率過高或上下波動會導致飛濺、氣孔等不良效果。因此，激光器能量的控制就成為激光焊接最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。②焊接工藝技術(shù)：根據(jù)聯(lián)贏激光招股說明書，激光與物質(zhì)的作用過程較為復雜，激光焊接效果與激光波長、功率密度大小、焊接時間、焊接頭角度、焦點距離、焊件對激光的吸收率及清潔程度、焊件的厚度及導熱性能、保護氣體類型及流量等數(shù)十種因素有關(guān)。因此，激光焊接工藝技術(shù)也是影響焊接質(zhì)量關(guān)鍵的因素之一，需要激光焊接工藝技術(shù)人員不斷摸索總結(jié)，長時間實驗積累才能夠獲得良好的焊接效果。按照工作原理焊接可分為五種類型，根據(jù)不同的應(yīng)用要求選取不同的焊接方式，以達到最佳效果。根據(jù)聯(lián)贏激光招股說明書，根據(jù)工作原理的不同，適配不同的加工場景，激光焊接可分為熱傳導焊、深熔焊、復合焊接、激光釬焊和激光傳導焊接五種。根據(jù)不同的客戶、不同的加工應(yīng)用場景，選取合適的焊接方式，以達到最佳的焊接效果。2.2應(yīng)用現(xiàn)狀：電芯制造、PACK焊接價值量約1000-3000萬/GWh在動力電池的生產(chǎn)中使用激光焊接的環(huán)節(jié)在電芯制造環(huán)節(jié)與電池PACK環(huán)節(jié)。根據(jù)聯(lián)贏激光官網(wǎng)信息，在動力電池的生產(chǎn)中，使用激光焊接的環(huán)節(jié)主要包括：

①中道工藝：極耳的焊接（包括預(yù)焊接）、極帶的點焊接、電芯入殼的預(yù)焊、外殼頂蓋密封焊接、注液口密封焊接等；②后道工藝：包括電池PACK模組時的連接片焊接，以及模組后的蓋板上的防爆閥焊接等。前激光焊價值量約為1000-3000萬元/GWh。根據(jù)聯(lián)贏激光招股說明書，激光焊接設(shè)備在動力電池廠商投入中約占比5-15%，根據(jù)高工鋰電官網(wǎng)信息，按照動力電池單GWh設(shè)備投資額約為2億元測算，目前動力電池激光焊接設(shè)備單GWh投入在1000萬元至3000萬元。2.3需求：全球“缺芯”下半導體廠擴大資本開支，設(shè)備景氣度持續(xù)上行4680大圓柱對激光工藝要求更高，且相比方形電池、小圓柱電池焊接量有望上行。1）4680電池對激光工藝求要求更高，極耳形態(tài)不受控制是工藝難點。根據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院官網(wǎng)信息，4680電池采用全極耳工藝，打破了傳統(tǒng)電池一正一負兩個極耳的模式，其工藝難點在于極耳形態(tài)不受控，易發(fā)生短路，制造時兩段封閉，電解液滲入阻礙大，并且多極耳很難折疊整齊，對激光工藝要求更高。2）4680大圓柱電池激光焊接相比方形電池、小圓柱電池分別在焊接工序、所需焊接設(shè)備上有所增加。根據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院官網(wǎng)信息，1）相比方形電池，大圓柱的全極耳所需的面焊，其激光焊接工序從5道增加至7道；2）從小圓柱電池看，單GWh相較于18650和21700電池產(chǎn)線增加5臺焊接設(shè)備。結(jié)合上述情況，我們認為，4680大圓柱的激光焊接需求相比方形電池、小圓柱電池有望增長。其他焊接環(huán)節(jié)技術(shù)：解決異種金屬焊接問題，比如電池PACK中匯流排焊接有望替代為激光焊接，我們判斷，隨著激光焊接工藝不斷上行，激光焊接滲透率有望上行。以方形電池后道模組/PACK中匯流排焊接存在的Al/Cu異質(zhì)金屬焊接為例：

①Al、Cu對光吸收率低，且容易產(chǎn)生高脆性金屬化合物是Al/Cu難點：根據(jù)

《汽車電池模組件Al/Cu異種金屬激光焊接技術(shù)新進展》，由于Al和Cu的材料物理性能迥異，Al/Cu異種金屬激光焊接具有若干挑戰(zhàn)性的限制。一個主要是在1um的激光波長下Al的吸收率低，而Cu的吸收率更低；另一個挑戰(zhàn)來自Al-Cu合金的冶金性能，即高脆性的金屬化合物可能導致裂紋的形成?？赡苄纬蒀u含量為50%-80%的金屬間化合物相。匯流排焊接目前激光焊接仍無法解決脆性化合物問題，但激光焊接為大概率方向。根據(jù)聯(lián)贏激光官網(wǎng)，由于銅和鋁之間采用激光焊接后易形成脆性化合物，無法滿足使用要求，通常采用超聲波焊接外，銅和銅、鋁和鋁一般均采用激光焊接。同時，由于銅和鋁傳熱均很快，且對激光反射率高，連接片厚度相對較大，因此需要采用較高功率的激光器才能夠?qū)崿F(xiàn)焊接。通過九種不同參數(shù)及方法的調(diào)整實驗，其中7種有不同增益，我們認為，隨著未來激光工藝的不斷進步，匯流排Al/Cu激光焊接存在問題有望得到解決，激光焊接為大概率方向。3.激光切割：極片激光切割替代加速，高倍率電池推動極耳/極片切割量提升3.1優(yōu)勢：較模切具精確度更高、運營成本較低等優(yōu)勢，助力電池生產(chǎn)提效降本激光切割技術(shù)可應(yīng)用于鋰電池制造過程中的極耳切割成型、極片分切以及隔膜分切等工序，相比模切，激光切割具有精確度更高、運營成本較低等優(yōu)勢，有助于電池生產(chǎn)提效降本。根據(jù)維科網(wǎng)鋰電官方微信公眾號信息，傳統(tǒng)模切會不可避免地出現(xiàn)磨損，粉塵掉落并產(chǎn)生毛刺，進而引起電池過熱、短路、甚至爆炸等各類