نقش جوشکاری لیزری در انقلاب باتری‌های استوانه‌ای بزرگ و جامد-

01

چکیده

همانطور که صنعت خودروهای انرژی جدید جهانی دستخوش دگرگونی عمیقی می شود-و تمرکز اصلی خود را از "اضطراب برد" به الزامات دوگانه "ایمنی و شارژ سریع" تغییر می دهد-فناوری باتری نیرو در حال تجربه یک تکرار جهشی است که از مایع سنتی-الکترولیت به شکل باتری های لیتیومی بزرگ تبدیل شده است. 4680 سلول استوانه‌ای و در نهایت، همه باتری‌های-حالت جامد (ASSB). فناوری جوش لیزری که به عنوان "بخیه فوتونیک" که واحدهای الکتروشیمیایی داخلی باتری را با ساختار فیزیکی خارجی آن پل می کند، دیگر صرفاً یک ابزار پردازش کمکی نیست. بلکه به‌عنوان یک فرآیند تولید اصلی که عملکرد باتری، حداکثر چگالی انرژی و عملکرد ایمنی را دیکته می‌کند، ظهور کرده است. این مقاله با استفاده از{10}}مقالات تحقیقاتی پیشرفته و پیشرفت‌های صنعتی منتشر شده در سال 2025{12}}که توسط حساب رسمی WeChat *High{13}}تکنولوژی و برنامه‌های پردازش پرتو انرژی*{14}} نشان داده شده است*{14}}این مقاله یک تجزیه و تحلیل عمیق در{16}}تحول عمیق تکنولوژیکی evolutionary evolution را ارائه می‌کند. این تحلیل طیفی را از گلوگاه‌های فرآیند ذاتی لیزرهای فیبر مادون قرمز تا پیشرفت‌های حاصل از منابع گرمای ترکیبی آبی/مادون قرمز، و از استفاده از یک پرتو گاوسی منفرد تا بازسازی میدان انرژی فعال‌شده توسط Multi{18}}تبدیل نور هواپیما (MPLC) و تنظیم‌پذیر (MPLC) را در بر می‌گیرد. هدف این است که صنعت را با چشم‌اندازی جامع از این تکرار فن‌آوری ارائه کنیم، در حالی که همزمان به سناریوهای آینده در تولید باتری‌های حالت جامد نگاه می‌کنیم، جایی که فناوری لیزر{20}}از طریق کنترل دقیق در میکرو- و مقیاس نانو به چالش‌های سخت‌افزاینده لایه‌های فلزی جامد مانند لایه‌های فلزی بسیار جامد مانند لایه‌های فلزی جامد پاسخ می‌دهد.

02

متن اصلی

در چشم انداز تولید باتری های انرژی جدید وسایل نقلیه، فناوری جوش لیزری مدت هاست که در تمام مراحل بحرانی نفوذ کرده است-از انفجار{1}}آب بندی دریچه ضد انفجار و جوشکاری زبانه الکترود گرفته تا اتصال اتصال دهنده انعطاف پذیر، جوش شینبار، و ماژول باتری اطمینان حاصل می کند که مونتاژ PACK ثابت باتری، مونتاژ فیزیکی باتری را به عنوان گوشه الکتروموتور تولید می کند- عملکرد در حال حاضر، باتری‌های استوانه‌ای بزرگ-که نمونه آن مدل 4680 تسلا است-به‌طور قابل‌توجهی مقاومت داخلی را کاهش داده و شارژ را افزایش داده‌اند{7}}قدرت تخلیه را از طریق طراحی ساختاری "بدون میز" افزایش داده‌اند. با این حال، این نوآوری به طور همزمان باعث افزایش تصاعدی در تعداد مراحل جوشکاری و تغییر کیفی در پیچیدگی فرآیند جوشکاری شده است. در تولید باتری‌های منشوری یا استوانه‌ای سنتی، لیزرهای فیبر مادون قرمز نزدیک (IR) مدت‌هاست که به دلیل چگالی توان بالا و پایداری صنعتی اثبات‌شده‌شان، جایگاه غالبی داشته‌اند. با این حال، با افزایش نسبت مواد بسیار بازتابنده-مانند مس و آلومینیوم{13}}در ساختار باتری (مخصوصاً در جوشکاری دیسک‌های جمع‌کننده جریان میز که در 4680 باتری یافت می‌شود)، پرتوهای گاوسی تک حالته سنتی با محدودیت‌های فیزیکی شدیدی مواجه هستند. در دمای اتاق، میزان جذب مس برای لیزرهای مادون قرمز در محدوده طول موج 1064 نانومتر کمتر از 5 درصد است. در نتیجه، ورودی های انرژی اولیه بسیار بالا برای راه اندازی یک حوضچه مذاب مورد نیاز است. با این حال، هنگامی که ماده شروع به ذوب شدن می کند، سرعت جذب آن فوراً افزایش می یابد. این انرژی اضافی اغلب باعث جوش شدید در حوضچه مذاب می شود که منجر به پاشش و تخلخل قابل توجهی می شود. برای باتری‌های برق{22}}که حداکثر ایمنی را می‌طلبند{23}}هر ذرات فلزی ایجاد شده توسط پاشش که به داخل سلول باتری راه پیدا می‌کند به عنوان یک "بمب ساعتی بالقوه" برای اتصال کوتاه عمل می‌کند. همانطور که در مقالات تحقیقاتی ذکر شده است-مانند مقاله *کاربرد فناوری جوشکاری لیزری در تولید باتری‌های برق*-سیستم‌های باتری قدرت معمولاً در محیط‌های خشن که با لرزش و دماهای بالا مشخص می‌شوند، کار می‌کنند. بنابراین، قابلیت اطمینان صدها یا هزاران اتصال جوش در سیستم به طور مستقیم ایمنی کلی خودرو را تعیین می کند. در نتیجه، تمرکز صنعت از هدف صرف "دستیابی به یک پیوند مطمئن" به پیگیری فرآیندهای جوشکاری دقیق که با "پاشش صفر، ورودی حرارت کم و قوام بالا" مشخص می شود، تغییر کرده است. در این مرحله، اگرچه لیزرهای مادون قرمز-از طریق تکنیک‌های بهینه‌سازی فرآیند مانند جوش‌کاری تکان‌دهنده{30}}مشکلات نقص را تا حدی کاهش داده‌اند، محدودیت‌های یک منبع گرمایی به طور فزاینده‌ای در مواجهه با نقاط جوش متراکم در امتداد لبه‌های 4680 آشکار می‌شوند که در مجموعه‌کننده‌های جریان حرارتی باتری نسبت به جداکننده‌ها و جداکننده‌های جریان باتری حساس هستند. در نتیجه، این جامعه مهندسی را وادار کرده است که به دنبال نسل جدیدی از منابع نور و فن‌آوری‌های شکل‌دهنده پرتو باشد که قادر به تغییر اساسی مکانیسم‌های نور{34}}برهم‌کنش مواد باشند.

پیشرفت‌ها در فناوری باتری{0}}به‌ویژه تکامل الکترولیت‌های حالت مایع به نیمه جامد و همه{2}}جامد-و همچنین تغییرات ساختاری از زخمی به طرح‌های استوانه‌ای بزرگ-تقویت‌های سخت‌گیرانه‌ای را بر جوشکاری، دقیق‌تر و دقیق‌تر تحمیل کرده است. با افزایش تولید انبوه 4680 باتری، اتصال بین صفحه جمع کننده جریان و فویل های الکترود مثبت و منفی چالش بزرگی را ایجاد می کند: اتصال مواد با ضخامت های بسیار متفاوت-به طور خاص، فویل های فوق نازک (در مقیاس میکرون) با کلکتورهای جریان بسیار ضخیم تر (در مقیاس میلی متر). بعلاوه، ساختار الکترود «بدون میز» (پر{10}}برگه) به پرتو لیزر نیاز دارد تا تعداد زیادی از نقاط را در یک بازه زمانی بسیار کوتاه اسکن و جوش دهد، که تقاضاهای بی‌سابقه‌ای را برای قابلیت‌های پاسخ دینامیکی و کنترل توزیع انرژی سیستم لیزری ایجاد می‌کند. حتی رادیکال‌تر انتقال به باتری‌های حالت جامد است که الکترولیت‌های جامد مبتنی بر سولفید، اکسید یا پلیمر{13}} را در کنار آندهای لیتیوم فلزی بسیار واکنش‌پذیر وارد می‌کنند. این مواد جدید نسبت به جداکننده های سنتی حساسیت بسیار بیشتری نسبت به ورودی حرارتی نشان می دهند. در نتیجه، پلاسما در دمای بالا و نوسانات شدید حوضچه مذاب ذاتی در جوشکاری با نفوذ عمیق سنتی (جوشکاری سوراخ کلید) به راحتی می تواند یکپارچگی لایه الکترولیت جامد را به خطر بیندازد و منجر به خرابی باتری شود. بنابراین، فرآیند جوشکاری باید یک انتقال دقیق از «حالت نفوذ عمیق» به «حالت انتقال حرارت پایدار» یا «حالت نفوذ عمیق کنترل‌شده» انجام دهد. در مقابل این پس‌زمینه، فناوری شکل‌دهی پرتو به‌عنوان یک نوآوری حیاتی پدیدار شده است و به‌عنوان پلی برای اتصال دوران فناوری‌های باتری سنتی و نسل بعدی{21} عمل می‌کند. انتشارات موجود در این حساب رسمی{23}}مانند *آیا Beam Shaping آینده جوشکاری لیزر است؟* و *Cailabs فرانسه به جوشکاری لیزری مس با سرعت بالا با استفاده از فناوری شکل دهی پرتو MPLC*{25}مشخص می شود. استفاده از فناوری تبدیل نور صفحه چندگانه (MPLC) و عناصر نوری پراش (DOEs) نقطه لیزر را از محدودیت‌های یک توزیع گاوسی دایره‌ای آزاد کرده است، و آن را قادر می‌سازد تا به اشکال مختلف-از جمله حلقه‌ها، مربع‌ها یا حتی شکل‌های مربعی خاص مانند آن‌ها مدوله شود. این توزیع مجدد فضایی انرژی اساساً خروج خشونت آمیز بخار فلز را در سوراخ کلید سرکوب می کند و در نتیجه حالت باز و پایدار سوراخ کلید را حفظ می کند. با انجام این کار، از نظر فیزیکی علل ریشه ای پاشش و تشکیل تخلخل را از بین می برد. به عنوان مثال، تحقیقات انجام شده توسط دانشگاه وارویک در رابطه با کاربرد پرتوهای لیزر حلقوی در اتصال مواد مس غیر مشابه Al{31}} نشان داد که با کنترل دقیق نسبت توان بین پرتو مرکزی و پرتو حلقوی (مثلاً 40٪ هسته / 60٪ حلقه)، تشکیل ترکیبات شکننده (IMC) قابل توجهی کاهش می یابد. این یافته دارای ارزش مرجع قابل توجهی برای اتصال کلکتورهای جریان مرکب جدید-فرآیندی است که احتمالاً در ساخت باتری‌های{38} حالت جامد دخیل است.

همانطور که توجه خود را بر روی -باتری‌های حالت جامد-که به‌طور گسترده به عنوان راه‌حل نهایی انرژی در نظر گرفته می‌شوند، متمرکز می‌کنیم{2}}نقش جوشکاری لیزری به طور فزاینده‌ای ظریف و حیاتی می‌شود. ساخت باتری های جامد- فراتر از محصور سازی ساختاری فلزی صرف است. این به طور فزاینده ای شامل درمان سطح میکرو- و نانو-در مقیاس و پیوند سطحی مواد الکترود می شود. در این مقطع، معرفی منابع لیزری با طول موج های متفاوت به عنوان کلید غلبه بر تنگناهای فنی ظاهر می شود. ظهور سریع لیزرهای آبی (طول موج تقریباً 450 نانومتر) یکی از مهم ترین پیشرفت های فناوری در سال های اخیر است. با توجه به مطالعاتی مانند *اثر سرکوب ستون بر راندمان جوشکاری مس خالص با استفاده از لیزر دیود آبی 15 کیلووات* (دانشگاه اوزاکا، ژاپن) و *3 کیلووات جوشکاری لیزر آبی هدایت گیره های مو* (Politecnico di Milano، ایتالیا)، مس بیش از 51% نرخ جذب نور را نشان می دهد. میزان جذب آن برای نور مادون قرمز این نشان می‌دهد که لیزرهای آبی می‌توانند به ذوب پایدار مواد مسی در سطوح توان بسیار کم دست یابند، که عمدتاً در حالت جوشکاری هدایت حرارتی عمل می‌کنند که عملاً پاشش را حذف می‌کند. این قابلیت کاملاً برای اتصال زبانه‌های آند باتری‌های{17}حالت جامد، که به شوک حرارتی بسیار حساس هستند، طراحی شده است. با این حال، لیزرهای آبی معمولاً دارای کیفیت پرتو نسبتاً ضعیفی هستند که دستیابی به جوش‌هایی با نسبت عمق{19}به{20}} را دشوار می‌کند. در نتیجه، فناوری پرتو هیبریدی "آبی + مادون قرمز" (جوشکاری لیزری ترکیبی) به عنوان راه حل توافقی صنعت ظهور کرده است. با استفاده از لیزر آبی برای پیش گرم کردن برای افزایش جذب مواد، و متعاقباً استفاده از لیزر مادون قرمز با کیفیت بالا برای رسیدن به نفوذ عمیق، این رویکرد هم افزایی عمق جوش کافی را تضمین می کند و در عین حال پایداری استثنایی را در حوضچه مذاب حفظ می کند. تحقیقات بیشتر انجام‌شده توسط دانشگاه ارلانگن-نورنبرگ تأیید کرده است که کاربرد ترکیبی طول‌موج‌های مختلف به طور موثر دینامیک جریان حوض مذاب را تنظیم می‌کند-عاملی بسیار مهم برای جوشکاری فلز لیتیوم یا کلکتورهای جریان پوشش‌داده‌شده، که احتمالاً در حالت‌های جامد طراحی باتری آینده ظاهر می‌شوند.{30}} علاوه بر این، نقش لیزرهای پالس فوق کوتاه{32} (پیکوثانیه/فمتوثانیه) در{33}تولید باتری حالت جامد به طور قابل توجهی گسترش می‌یابد. این لیزرها دیگر تنها به کاربردهای برش محدود نمی شوند، احتمالاً به طور فزاینده ای برای ریز{35}}بافت دادن سطوح الکترولیت های جامد-در نتیجه افزایش تماس سطحی-و همچنین برای اتصال غیرمخرب فرآیند لیکول و فرآوری فلزات فوق{39} به «ویژگی های پیر{39}» آنها استفاده می شود. جلوگیری از آسیب حرارتی

با نگاهی به آینده، تکامل جوشکاری لیزر در زمینه باتری‌های حالت جامد-و انقلاب گسترده‌تر در-تکنولوژی باتری نسل بعدی با یک روند دوگانه مشخص می‌شود: "هوشمندسازی" و "بهینه‌سازی تا حد نهایی". از یک طرف، همانطور که ساختار باتری به طور فزاینده‌ای پیچیده می‌شود، اتکا به تنظیمات پارامتر فرآیند حلقه باز دیگر برای برآورده کردن الزامات بازده کافی نیست. در نتیجه،-سیستم‌های جوش تطبیقی ​​حلقه بسته-یکپارچه‌سازی-دوربین‌های با سرعت بالا، دیودهای نوری، OCT (توموگرافی منسجم نوری) و الگوریتم‌های هوش مصنوعی{8}} آماده تبدیل شدن به تجهیزات استاندارد هستند. همانطور که در مقاله *{10}}پردازش مواد لیزری مبتنی بر هوش مصنوعی* ذکر شد، با استفاده از الگوریتم‌های یادگیری ماشین برای تجزیه و تحلیل تصاویر حوضچه مذاب و سیگنال‌های نوری در زمان واقعی، این سیستم‌ها می‌توانند نقص‌های احتمالی را در عرض میلی‌ثانیه پیش‌بینی کنند و به‌طور دینامیکی توان لیزر یا هزینه‌های اسکن را برای کاهش قابل‌توجهی مجدد برای مسیرهای بحرانی تنظیم کنند{12} خطوط تولید باتری-در حالت جامد، که در آن هزینه‌های مواد فوق‌العاده بالاست. از سوی دیگر، حالت‌های کنترل انرژی لیزری از عملیات موج پیوسته ساده (CW) به سمت مدولاسیون فضایی{15} زمانی پیچیده‌تر تغییر می‌کنند. پروفیل‌های پرتو حالت حلقه قابل تنظیم (ARM) برای دستیابی به همگام‌سازی موقتی{17} نانوثانیه بین پرتوهای حلقوی و مرکزی، تحت تکرارهای بیشتری قرار می‌گیرند. هنگامی که با تکنیک‌های جوشکاری «تلوکان» مبتنی بر گالوانومتر{18}ترکیب می‌شود، یک چارچوب کنترلی{19} چند بعدی ایجاد می‌کند که شکل پرتو، ضربان زمانی و نوسان مکانی را در بر می‌گیرد. برای مثال، هنگام جوش دادن-کلکتورهای جریان فوق‌العاده نازک موجود در باتری‌های حالت جامد، پرتو لیزر ممکن است نیاز به توزیع شدت «نعل اسبی» یا «دوبرابر درجه سانتی‌گراد»-همراه با فرکانس فوق‌العاده-برای به حداقل رساندن فرکانس{27}بالا{26}} داشته باشد. لایه الکترولیت جامد زیرین علاوه بر این، در زمینه آندهای فلزی لیتیوم، لیزرها ممکن است برای تمیز کردن *درجا* یا اصلاح سطح یا حتی برای تعمیر دقیق الکترولیت‌های جامد از طریق فناوری انتقال القایی به جلو لیزری (LIFT) استفاده شوند.

به طور خلاصه، سفر تکاملی از سلول‌های استوانه‌ای با فرمت بزرگ-با فرمت 4680 به باتری‌های حالت جامد{2}}تغییر خود فناوری جوشکاری لیزری را نشان می‌دهد-تغییر الگوی "گسترده- ضربه، بالا{5}}پردازش نور متمرکز{6}، به یکی از "کنترل نور" با دقت بالا." لیزرهای فیبر مادون قرمز پایه و اساس تولید مقیاس شده را گذاشته اند. پروفیل‌های پرتو حلقوی و فن‌آوری کنترل لیزری چند پالس (MPLC) نقاط درد فرآیند بحرانی مرتبط با مواد بسیار بازتابنده و کنترل پاشش را برطرف کرده‌اند. در همین حال، معرفی منابع نور آبی، سبز و ترکیبی، دریچه های فیزیکی جدیدی را برای اتصال مواد افراطی باز کرده است. در آینده، از طریق ادغام عمیق هوش مصنوعی و فن‌آوری‌های مدولاسیون میدان نوری چند بعدی، جوشکاری لیزری دیگر صرفاً یک مرحله واحد در خط تولید باتری نخواهد بود. بلکه به یک فناوری توانمند هسته ای تبدیل می شود که درجه آزادی را در طراحی ساختار باتری تعریف می کند و مرزهای چگالی انرژی را جابجا می کند. ما هر دلیلی داریم که باور کنیم در این گفتگوی عمیق بین "نور" و "الکتریسیته"، فناوری لیزر به گسترش مرزهای تحول انرژی جهانی به سمت آینده ای امن تر و کارآمدتر ادامه خواهد داد.