能源危機和全球環(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。降低對進口原油的需求已經(jīng)被廣泛認為是一種更快、更清潔和更廉價地實現(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力機車已經(jīng)在全球市場快速擴張，主要原因是它在相應(yīng)功率和行駛范圍內(nèi)實現(xiàn)了燃料的高經(jīng)濟性和低排放，同時具備傳統(tǒng)汽油和柴油動力車輛的便利性。根據(jù)波士頓咨詢公司的一項報道，2020年大約1400萬輛電氣和混合動力汽車將被售出，最大的四個市場分別是西歐、北美、日本和中國，而這一數(shù)字在2008年僅為48萬輛。

混合動力車（HEV）、插電型混合動力車（PHEV）和電動車（EV）等不同類型的系統(tǒng)目前分別已經(jīng)進入開發(fā)階段或進入市場。對于今天的混合動力車（如豐田的普瑞斯）來說，電動馬達所起的作用主要是在頻繁的停車啟動期間幫助車輛加速，而大多數(shù)時間仍然使用燃油發(fā)動機提供動能。這是由于電池容量小，因此受電力驅(qū)動所行駛的距離也有限。與之相比，PHEV車輛擁有更為強大的電池組，能支持車輛連續(xù)行駛數(shù)十英里，并能連接電網(wǎng)進行充電。EV車能作為百分百的電動車輛無排放行駛。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)動機進行充電。單次充電后的行駛距離預(yù)計可達約40英里，能滿足消費者日常的大部分交通需求。美國新一屆聯(lián)邦政府計劃在2012年前在國內(nèi)道路上實現(xiàn)100萬輛電動車的目標。這意味著價值約400億美元的高端電池市場。

推動新型車輛混合動力系統(tǒng)的一大因素正是電池技術(shù)的顯著進步。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現(xiàn)其目標行駛距離。電池制造商有望分享來自政府先進車輛制造技術(shù)項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)，因為它能存儲多達三倍的電量，產(chǎn)生兩倍的功率，并且相對今天使用的鎳氫電池來說，鋰電池每升所存儲的能量是鎳氫電池的兩倍。根據(jù)Fuji Keizai公司的一篇報道，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電動車的T形鋰電池組將于2010年下半年上市，其包含了約220個電池單元。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可，那么電池成本則是一項重要因素。除了材料成本，電池價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)率等都是實現(xiàn)電池高效率制造的關(guān)鍵因素。先進的激光系統(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。

 

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，這是因為它們具有出色的導(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（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昂貴的刀具，一旦磨損過度會帶來工藝不穩(wěn)定和切割質(zhì)量差的結(jié)果。尤其需要注意的是，一旦刀片和微米級的材料成型出現(xiàn)輕微的彎曲，將會帶來短路和整套系統(tǒng)災(zāi)難性的故障。因此，該方法需要進行頻繁的維護和刀具更換。

激光切割電極材料的技術(shù)已經(jīng)被證實在高速加工中相對機械切割法在質(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現(xiàn)工藝的優(yōu)化，并得到不錯的切割質(zhì)量。大于10米/分的切割速度需要在相對較低的50W至200W范圍的功率實現(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)切割工藝強有力競爭對手的潛力，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。

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)計為8~10年，因此必須使用非常可靠的連接工藝用于連接內(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要求不是那么嚴格而常被采用。一般來說，鋁罐被用于圓柱單元的外殼，對其進行密封加工是整個單元組裝最后關(guān)鍵步驟的一個環(huán)節(jié)。
對于激光器和工藝設(shè)計來說，激光焊接高反光的銅材料是非常難的，因為高度非線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，對銅片進行焊接。

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得到相當?shù)奶嵘Ｕ麄€焊接流程幾乎沒有出現(xiàn)飛濺的現(xiàn)象，焊點外形一致。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)域取得了進展，實現(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，可通過一臺單模式光纖激光器實現(xiàn)。因為材料屬性的不同，熔融區(qū)域在界面處變化顯著。只有激光束的核心部分穿透進入了銅片。盡管如此，連接點在拉伸剪切強度和疲勞測試中顯示了出色的強度和耐久度。（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)。