能源危機(jī)和全球環(huán)境的惡化正在世界范圍內(nèi)引起廣泛的關(guān)注。汽車對(duì)化石燃料的持續(xù)依賴，幾乎消耗掉每年化石燃料產(chǎn)量的45%，而這已經(jīng)成為全球變暖的主要原因之一。降低對(duì)進(jìn)口原油的需求已經(jīng)被廣泛認(rèn)為是一種更快、更清潔和更廉價(jià)地實(shí)現(xiàn)國家能源安全的方法。

     近來，基于電池的汽油和柴油混合動(dòng)力機(jī)車已經(jīng)在全球市場快速擴(kuò)張，主要原因是它在相應(yīng)功率和行駛范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了燃料的高經(jīng)濟(jì)性和低排放，同時(shí)具備傳統(tǒng)汽油和柴油動(dòng)力車輛的便利性。根據(jù)波士頓咨詢公司的一項(xiàng)報(bào)道，2020年大約1400萬輛電氣和混合動(dòng)力汽車將被售出，最大的四個(gè)市場分別是西歐、北美、日本和中國，而這一數(shù)字在2008年僅為48萬輛。

混合動(dòng)力車（HEV）、插電型混合動(dòng)力車（PHEV）和電動(dòng)車（EV）等不同類型的系統(tǒng)目前分別已經(jīng)進(jìn)入開發(fā)階段或進(jìn)入市場。對(duì)于今天的混合動(dòng)力車（如豐田的普瑞斯）來說，電動(dòng)馬達(dá)所起的作用主要是在頻繁的停車啟動(dòng)期間幫助車輛加速，而大多數(shù)時(shí)間仍然使用燃油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)能。這是由于電池容量小，因此受電力驅(qū)動(dòng)所行駛的距離也有限。與之相比，PHEV車輛擁有更為強(qiáng)大的電池組，能支持車輛連續(xù)行駛數(shù)十英里，并能連接電網(wǎng)進(jìn)行充電。EV車能作為百分百的電動(dòng)車輛無排放行駛。它們的電池組能通過連接電網(wǎng)或通過小型的車載燃油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行充電。單次充電后的行駛距離預(yù)計(jì)可達(dá)約40英里，能滿足消費(fèi)者日常的大部分交通需求。美國新一屆聯(lián)邦政府計(jì)劃在2012年前在國內(nèi)道路上實(shí)現(xiàn)100萬輛電動(dòng)車的目標(biāo)。這意味著價(jià)值約400億美元的高端電池市場。

推動(dòng)新型車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)的一大因素正是電池技術(shù)的顯著進(jìn)步。今天，與傳統(tǒng)的鉛酸電池或鎳鎘電池相比，用于HEV車輛的鎳氫電池具有更高的容量。未來的PHEV車輛需要更輕、更緊湊和更高容量的電池來實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)行駛距離。電池制造商有望分享來自政府先進(jìn)車輛制造技術(shù)項(xiàng)目劃撥的旨在加快該技術(shù)商業(yè)化的250億美元資金。大部分開發(fā)者相信鋰電池能解決面臨的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗艽鎯?chǔ)多達(dá)三倍的電量，產(chǎn)生兩倍的功率，并且相對(duì)今天使用的鎳氫電池來說，鋰電池每升所存儲(chǔ)的能量是鎳氫電池的兩倍。根據(jù)Fuji Keizai公司的一篇報(bào)道，鋰電池材料市場將在2012年增加到69億美元，相比2007年增加了89%。例如，用于雪弗蘭Volt電動(dòng)車的T形鋰電池組將于2010年下半年上市，其包含了約220個(gè)電池單元。除了可靠性和安全性之外，采用鋰電池技術(shù)的PHEV車輛若要獲得廣泛的市場認(rèn)可，那么電池成本則是一項(xiàng)重要因素。除了材料成本，電池價(jià)格還受到大批量生產(chǎn)中制造成本的顯著影響。

圖1、鋰電池的結(jié)構(gòu)圖

大批量生產(chǎn)

不同材料焊接技術(shù)、全密封的封裝、本地化加工、高精度、一致的質(zhì)量以及高生產(chǎn)率等都是實(shí)現(xiàn)電池高效率制造的關(guān)鍵因素。先進(jìn)的激光系統(tǒng)結(jié)合創(chuàng)新的加工技術(shù)能為大批量鋰電池生產(chǎn)中的許多應(yīng)用提供具有成本效率的方案。圖1顯示的是圓柱狀電池單元的基本組成部分。電極封裝由帶涂層的金屬薄片焊接成筒狀。該電極封裝被密封于金屬罐中并通過電路和外界電極端相連。平板單元（見圖2）和堆棧式電極或棱形單元代表了目前所開發(fā)的鋰電池所具有的不同設(shè)計(jì)。

 

圖2、鋰聚合物電池（Fraunhofer硅技術(shù)研究所）
，(a)用于鋰電池的電極（Fraunhofer硅
技術(shù)研究所），（b）光學(xué)顯微鏡下，(c)
電子顯微鏡下激光切割銅箔樣本的頂視圖。
上方所顯示的縫隙并不代表切口，樣本已
被完全切斷。
 

        在電極的生產(chǎn)和電池單元及模塊的組裝中需要進(jìn)行許多切割、焊接和密封的操作。潛在的激光應(yīng)用包括：電極切割，將內(nèi)部元件焊接至電極和電極端部，以及電池外殼的密封。大多數(shù)金屬元件都由銅或鋁為材料，這是因?yàn)樗鼈兙哂谐錾膶?dǎo)電性能。而這些高反光材料過去曾為激光加工帶來挑戰(zhàn)，而如今通過尖端的高亮度激光技術(shù)已經(jīng)能成功解決問題，使得焊接同種和異種材料成為可能。

電極切割

鋰電池電極由正反兩面均涂有活性材料的鋁和銅片作為集流體。根據(jù)單元的設(shè)計(jì)（圓柱或平板）和電極類型（陰極或陽極）的不同，金屬片的厚度從0.01mm（無涂層）到0.2mm（有涂層）不等。模切法被用來加工平板電極，而旋轉(zhuǎn)刀切法則用來為圓柱形單元切割出電極板條。兩種方法都需要相對(duì)昂貴的刀具，一旦磨損過度會(huì)帶來工藝不穩(wěn)定和切割質(zhì)量差的結(jié)果。尤其需要注意的是，一旦刀片和微米級(jí)的材料成型出現(xiàn)輕微的彎曲，將會(huì)帶來短路和整套系統(tǒng)災(zāi)難性的故障。因此，該方法需要進(jìn)行頻繁的維護(hù)和刀具更換。

激光切割電極材料的技術(shù)已經(jīng)被證實(shí)在高速加工中相對(duì)機(jī)械切割法在質(zhì)量和成本上具有優(yōu)勢。碟片和光纖激光器提供的高光束質(zhì)量能實(shí)現(xiàn)更小的光斑尺寸和更高的功率密度，用以切割高度反光的銅和鋁片。使用單模式的光纖激光能實(shí)現(xiàn)工藝的優(yōu)化，并得到不錯(cuò)的切割質(zhì)量。大于10米/分的切割速度需要在相對(duì)較低的50W至200W范圍的功率實(shí)現(xiàn)。目前的一些工作成果顯示出無接觸加工的激光切割具備成為傳統(tǒng)切割工藝強(qiáng)有力競爭對(duì)手的潛力，前者具備了無刀具磨損、高柔性以及切割質(zhì)量一致等優(yōu)點(diǎn)。

電池的組裝

鋰電池內(nèi)部的大部分電流傳導(dǎo)元件都由銅或鋁制成，它們必須同外部的電極端相連，以連接起一系列的單元。HEV的生命周期預(yù)計(jì)為8~10年，因此必須使用非?？煽康倪B接工藝用于連接內(nèi)部元件，并密封電池外殼。同類和不同類的金屬相連，必須與外部電極端有電氣連接，同時(shí)這些連接必須具有良好的導(dǎo)電性以避免能量損耗。疊焊接頭因其在零件公差和配合上相對(duì)要求不是那么嚴(yán)格而常被采用。一般來說，鋁罐被用于圓柱單元的外殼，對(duì)其進(jìn)行密封加工是整個(gè)單元組裝最后關(guān)鍵步驟的一個(gè)環(huán)節(jié)。
對(duì)于激光器和工藝設(shè)計(jì)來說，激光焊接高反光的銅材料是非常難的，因?yàn)楦叨确蔷€性的激光束與材料之間的作用使加工的過程非常捉襟見肘，且限制了重復(fù)精度。鍍鎳或在銅片表面加上鎳層的方法是目前用來增強(qiáng)銅焊中能量吸收和提升工藝穩(wěn)定性的一種方法。Fraunhofer 激光技術(shù)中心對(duì)用于不同電池組裝應(yīng)用的連續(xù)和脈沖激光焊接工藝進(jìn)行了調(diào)查，激光種類分為Nd:YAG、碟片和光纖激光器，功率范圍從500W至數(shù)千瓦（見圖3）。這些激光器提供了所需的功率密度來建立穿透型焊接流程，并實(shí)現(xiàn)了具成本效率的大批量生產(chǎn)所要求的高速焊接和短循環(huán)時(shí)間。

圖3、（a）焊接表面；（b）使用功率2.1kW激
光以5m/min速度焊接兩塊0.5mm厚的銅片（合金110）
，得到全穿透疊焊橫截面；（c）焊接表面；（d）#p#分頁標(biāo)題#e#
使用僅為470W激光以1m/min速度將一塊鋁片
（合金3003，厚度0.55mm）和一塊銅片（合
金110，厚度0.6mm）焊接起來得到的橫截面；
（e）采用Fraunhofer激光技術(shù)中心開發(fā)的高亮度
光纖耦合半導(dǎo)體二極管激光器，對(duì)銅片進(jìn)行焊接。

除此之外，不同類型表面處理和涂層的效果也得到了評(píng)估。據(jù)觀察，如果加上一層薄石墨涂層，工藝穩(wěn)定性、焊接速度和穿透深度都會(huì)得到相當(dāng)?shù)奶嵘?。整個(gè)焊接流程幾乎沒有出現(xiàn)飛濺的現(xiàn)象，焊點(diǎn)外形一致。近期，F(xiàn)raunhofer激光技術(shù)中心在高亮度光纖耦合半導(dǎo)體二極管激光器領(lǐng)域取得了進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了僅以250W功率在1m/min下成功焊接裸銅片（0.2mm厚）的成績。

新一代的激光焊接工藝同樣被開發(fā)用于不同材料的焊接，如將鋁焊至銅或?qū)~焊至鋁。優(yōu)化后的流程設(shè)計(jì)減少了變形和多種金屬間相的發(fā)生，避免了焊接處的脆化現(xiàn)象導(dǎo)致大小不一的裂縫。

脈沖Nd:YAG激光焊接可被應(yīng)用于點(diǎn)焊銅至鋁的應(yīng)用（在邊焊設(shè)置下）。若要成功將鋁和銅在疊焊設(shè)置中焊接，可通過一臺(tái)單模式光纖激光器實(shí)現(xiàn)。因?yàn)椴牧蠈傩缘牟煌廴趨^(qū)域在界面處變化顯著。只有激光束的核心部分穿透進(jìn)入了銅片。盡管如此，連接點(diǎn)在拉伸剪切強(qiáng)度和疲勞測試中顯示了出色的強(qiáng)度和耐久度。（作者：Hans J. Herfurth ）

本文作者Hans J. Herfurth 是美國密歇根州Fraunhofer激光技術(shù)中心（www.clt.fraunhofer.com）的副總監(jiān)。