איור 1: הגדרת ריתוך בלייזר עבור מודולי סוללת ליתיום- גליליים. (מקור תמונה: Photon Automation)
סוללות ליתיום- גליליות (כגון 18650, 21700 ודגמי 4680 גדולים יותר) נמצאות בשימוש נרחב באלקטרוניקה ניידת, כלי עבודה חשמליים, מערכות אחסון אנרגיה, ובמיוחד כלי רכב חשמליים, בשל צפיפות האנרגיה הגבוהה, העיצוב הסטנדרטי והאמינות המוכחת שלהן. סוללות אלו משתמשות בדרך כלל בפלדה בציפוי ניקל- (Hilumin) כחומר המעטפת, שכן ציפוי הניקל מספק עמידות בפני קורוזיה בעוד שמצע הפלדה מבטיח חוזק מבני לעמוד בלחץ פנימי ובלחץ מכני.
כדי לעמוד בדרישות עיצוב וביצועים ספציפיות, כמה תאים גליליים בקוטר 46 מ"מ משתמשים בחומרי מעטפת שונים כמו אלומיניום ופלדה בציפוי ניקל-. אתגר קריטי במהלך ייצור מודול או ערכת סוללות הוא ריתוך אלומיניום ופלדה יחד, בשל הבדלים משמעותיים בתכונות התרמיות ובהתנהגות הריתוך שלהם.
בניית מודולים או חבילות של סוללות גליליות כרוכה בסידור תאים (יחידות סוללה בודדות) בתבנית ספציפית וחיבורם בסדרה או במקביל בהתאם לדרישות המתח והזרם של האפליקציה. תצורה זו מאפשרת ליצרנים להתאים אישית את קיבולת האנרגיה והתפוקה הכוללת של ערכת הסוללות כדי לעמוד בדרישות של יישומים ספציפיים, כגון רכבים חשמליים או מערכות אחסון אנרגיה נייחות. תאים מחוברים בדרך כלל באמצעות פסי אלומיניום בעובי של 0.3-0.6 מ"מ, אשר לאחר מכן מרותכים בלייזר- כדי להשיג חיבורים חשמליים אמינים (ראה איור 1). לפלדה מצופה ניקל- המשמשת למארזי סוללות יש בדרך כלל עובי של 0.4-0.6 מ"מ, תלוי בעיצוב התא ובמותג היצרן.
ביישומי רכב חשמלי, הריתוכים המחברים את פסי האלומיניום לתאי הסוללה חייבים לשמור על שלמות מבנית ומוליכות חשמלית גבוהה בתנאים דינמיים קשים, כולל זעזועים, רעידות ומחזוריות תרמית. לכן, ריתוך לייזר מדויק ואמין הוא קריטי לביצועים ולבטיחות-לטווח ארוך של הסוללה. ריתוך לייזר מתאים במיוחד- לתרחיש הרכבה זה. הוא מייצר חוזק- גבוה ונקי עם כניסת חום נמוכה ועיוות מינימלי. מאפיינים אלו חיוניים להתגברות על האתגרים הגלומים בריתוך אלומיניום לפלדה מצופה ניקל-.
היווצרות של תרכובות בין מתכתיות שבירות (IMCs)
האתגר העיקרי במהלך הריתוך הוא היווצרות של תרכובות בין מתכתיות שבירות (IMCs), אשר מפחיתות משמעותית את חוזק המפרק ואת מוליכות החשמל. בעיה זו נובעת מהתכונות השונות של אלומיניום ופלדה, במיוחד התגובות התרמיות השונות שלהם: אלומיניום נמס ומתרחב מהר יותר מפלדה, יוצר מתחים תרמיים המקדמים את צמיחת ה-IMC במהלך הריתוך. IMCs-כגון ברזל-אלומיניום תרכובות FeAl₃ ו-Fe₂Al₅-מפגינים בדרך כלל מרקמים שבירים שמחלישים את חוזק המפרק, מה שמוביל להתחלת סדקים, חוזק מופחת ורגישות מוגברת לקורוזיה.
ההיווצרות והנפח הכולל של IMCs במהלך הריתוך משפיעים באופן קריטי על איכות הריתוך וביצועים-לטווח ארוך. ככל שנפח ה-IMC עולה, שבריריות המפרק מתעצמת, החוזק המכני פוחת והסבירות לכשל שנגרם כתוצאה מלחץ עולה. חדירת ריתוך עמוקה יותר מגדילה בדרך כלל את נפח ה-IMC הכולל, מה שמדגיש את הצורך בבקרת פרמטרי ריתוך מדויקת כדי להבטיח חוזק, אמינות ועמידות גבוהים של המפרק.
מחקר מקיף מצביע על כך ששמירה על שכבת IMC דקה ואחידה (בדרך כלל 2 µm עד 10 µm) מניבה חוזק גזירה גבוה יותר. שכבות דקות אלו מאפשרות הדבקה מתכתית יעילה תוך מזעור שבירות המפרק. עם זאת, כאשר שכבת ה-IMC עולה על 15 מיקרומטר בעובי, שבירותה מובילה לעתים קרובות לחוזק מתיחה מופחת עקב רגישות לתחילת הסדקים ולהתפשטותם תחת עומס (ראה איור 2).
איור 2: השפעת עובי שכבת IMC על חוזק מתיחה. (מקור תמונה: H. He et al.) [1]
כדי לטפל בבעיה זו, גישה יעילה יותר היא להגדיל את שטח ממשק הריתוך במקום להסתמך רק על עומק חדירה גדול יותר. הרחבת אזור הממשק משפרת את החיבור המתכתי תוך הגבלת נפח ה-IMC הכולל. זה מפחית את השבריריות ומקדם פיזור מתח אחיד יותר במפרק, ובכך משפר את האמינות. ניתן להשיג אפקט זה על ידי שילוב של פולסי לייזר עם טכנולוגיית סריקת קרן כדי לשלוט במדויק על קלט חום ויצירת ממשק, תוך מזעור צמיחת IMC.
Photon Automation פיתחה בקרי דופק והספק מתקדמים המסוגלים לשלוט ברמת דיוק של -מיקרו שניות על לייזרים, המאפשרים עיצוב דופק מותאם אישית. על ידי כוונון- עדין של צורת הדופק, מתח תרמי מקומי מופחת, תכונות מכניות אידיאליות של החומר נשמרות, האזור המושפע מהחום (HAZ) ממוזער, ותוחלת החיים של חלקים מתארכת. ה-WonderBOARD של החברה מתממשק גם עם בקרי מראות גלבו, המאפשר חלוקה אחידה של אנרגיית הלייזר על פני חלקי עבודה. זה מונע נקודות חמות וחימום לא אחיד הנגרם על ידי תנועת קרן מהירה.
בקרת פעימות לייזר ותנודות אלומה להיווצרות IMC
לייזרים פולסים מציעים בקרת קלט תרמית מעולה, ומפחיתים את הסיכונים של-המסה או התזות יתר. מרווחי הקירור בין הפולסים ממזערים את הצטברות החום, ועוזרים למנוע פגמים כמו צריבה או עיוות. עבור ריתוך-חומר דק או חיבור מתכת שונה (למשל, אלומיניום-ל-פלדה), טכנולוגיית פעימות גם משפרת את יציבות בריכת ההיתוך.
סריקה דינמית של קרן הלייזר על פני אזור הריתוך באמצעות גלוונומטר מבטיחה חלוקת אנרגיה אחידה. זה מונע השפעות קצה (חדירה מוגזמת, חתך תחתון או נקודות חמות הנגרמות על ידי שהייה ממושכת בתחילת/סוף נתיב הריתוך). טכנולוגיית תנודה מאפשרת גם פרופילי ריתוך מותאמים אישית (למשל, מעגליים, סלילניים או שן מסור) כדי לשפר את החוזק המכני והאחידות של המפרק.
השילוב של פעימה ותנודה יוצר סביבת ריתוך ניתנת לשליטה הממזערת שיפועים תרמיים, מייעלת את החיבור המתכתי ומבטיחה פיזור מתח אחיד יותר. גישה זו קריטית במיוחד בייצור סוללות, המאפשרת בקרת אנרגיה מדויקת כדי למנוע פגיעה ברכיבים רגישים או באזורים מבודדים.
האתגר השני כרוך בהשגת מיקום תפר ריתוך מדויק ואיכות ריתוך עקבית.
בעיצובי תאים גליליים, אלקטרודות חיוביות ושליליות נמצאות על המשטח העליון-מכסה האלקטרודה המרכזי משמש כאלקטרודה חיובית, בעוד שהאזור הטבעתי שמסביב מתפקד כאלקטרודה השלילית. פריסה זו מגבילה את אזור הריתוך הזמין, ודורשת דיוק קיצוני במיקום הלייזר. אפילו חוסר יישור קל עלול לגרום לחוזק ריתוך לא מספיק, לנזק פנימי או לקצר חשמלי, כל אלה מגבירים את הסיכון לכשל בתאים ובמקרים חמורים עלולים לגרום לבריחה תרמית.
במהלך ההרכבה, מודולי סוללה אלה מכילים בדרך כלל מאות תאים צפופים. שינויים קלים בגובה התא הנגרמים על ידי סובלנות ייצור או טיפול עלולים לגרום למגע לא אחיד בין הפס או כלי הריתוך לבין התאים. אם אינו מטופל כראוי, מגע לא עקבי זה מוביל לאיכות ריתוך משתנה, חיבורים חשמליים לקויים ובעיות ביצועים-ארוכות טווח.
כדי להתגבר על האתגרים הללו, היצרנים מסתמכים על שתי מערכות ליבה: מערכות ראייה וטומוגרפיה קוהרנטית אופטית (OCT).
מערכות ראייה מזהות ומאתרות את המסוף החיובי (מכסה מרכזי) ואת המסוף השלילי (טבעת/קצה חיצוני) של כל תא גלילי. בנוסף, מערכות ראייה מפצות על וריאציות/סובלנות של-ל-תא וסטיות יישור מתקנים, ומובילות את קרן הלייזר למיקום הריתוך הנכון תוך הימנעות ממגע עם שכבות בידוד או אזורי קצה. זה מאפשר ריתוך עקבי,-בדיוק גבוה בין מודולים המכילים מאות תאים.
OCT מודד את הגובה של כל תא לפני הריתוך כדי לזהות את שינויי הגובה הקטנים ביותר. הוא מתאים באופן דינמי את מיקום מיקוד הלייזר באמצעות עדשת קולימציה מונעת חשמלית, ומבטיח שהלייזר מתמקד באופן עקבי במישור הריתוך המדויק. זה משפר את איכות הריתוך והאמינות בסביבות ייצור אוטומטיות שבהן עשויות להתקיים שינויים קטנים בגובה בין תאים בתוך מודול סוללה.
ניטור תהליך ריתוך ורכישת נתונים: הבסיס של AI
הטמעת מערכת ניטור ריתוך בלייזר (LWM) היא שלב קריטי להשגת בקרת תהליכים מונעת בינה מלאכותית{{0}. במהלך אינטראקציה של-חומר לייזר, אנרגיה משתחררת בצורות מרובות: קרינת פלזמה (אורך גל אולטרה סגול), קרינה תרמית (אורך גל אינפרא אדום), השתקפות אחורית (אורך הגל האמיתי של הלייזר) וכוח לייזר המועבר דרך רכיבים אופטיים. כל אחד מהאותות הללו מכיל מידע רב ערך על פרמטרים של תהליך ריתוך.
חיישנים מבוססי-פוטודיודות לוכדים מידע קרינה זה בזמן אמת ומשווים אותו לנתוני ייחוס עבור ריתוכים באיכות גבוהה-. רכישת נתונים מתמשכת זו מסייעת לזהות פגמים כגון חוסר איחוי, ריתוכים שהוחמצו או עומק חדירה לא עקבי. לאורך זמן, הצטברות של נתוני תהליך ברזולוציה גבוהה- מספקת את הבסיס לאימון מודלים של AI. מודלים אלה יכולים לזהות דפוסים, לחזות כשלים ולאפשר אופטימיזציה של-לולאה סגורה של תהליך הריתוך.
אימות פיתוח תהליכים לאיכות ריתוך
בריתוך לייזר של סוללות ליתיום- גליליות, הבטחת תקינות הריתוכים הפנימיים היא קריטית לשמירה על בטיחות וביצועי הסוללה. במהלך הריתוך, יש להקדיש תשומת לב מיוחדת להגנה על כל חומרי פלסטיק או גומי מתחת למשטח העליון: כניסת חום מוגזמת, פרמטרי לייזר לא נאותים או עומק חדירה מופרז עלולים לפגוע בשכבות הבידוד הבסיסיות או לרכיבים מבניים מפלסטיק/גומי, מה שיוביל לקצר חשמלי, דליפה, כשל מכני או בריחת תרמית.
איור 3: תמונת CT תלת-ממדית המציגה פרטי חדירת ריתוך. (מקור תמונה: Photon Automation)
טומוגרפיה ממוחשבת (CT) מאפשרת בדיקה לא-הרסנית, ברזולוציה גבוהה- של מפרקים מרותכים, ומספקת נתונים דו-ממדיים ותלת-ממדיים החושפים פגמים פנימיים בריתוך כגון נקבוביות, חדירה לא אחידה בממשק הריתוך או חדירה לא מספקת (ראה איור 3). נתוני CT 3D אלה תומכים בפיתוח תהליכים על ידי אימות איכות הריתוך וזיהוי האם החדירה מגיעה לחומרי איטום או בידוד, ובכך למנוע טוב יותר בעיות כאלה במהלך הריתוך.
