01
Абстрактный
В то время как глобальная автомобильная индустрия, использующая новые источники энергии, претерпевает глубокую трансформацию,-перемещает основной акцент с "заботы о запасе хода" на двойные императивы "безопасности и быстрой зарядки",-технология силовых аккумуляторов переживает скачок: от традиционных литий-ионных батарей с жидким{2}}электролитом к большим-цилиндрическим элементам 4680 и, в конечном счете, ко всем-твердотельным- батареям (АССБ). Действуя как «фотонный шов», соединяющий внутренние электрохимические элементы батареи с ее внешней физической структурой, технология лазерной сварки больше не является просто вспомогательным инструментом обработки; скорее, он стал основным производственным процессом, определяющим ресурс батареи, максимальную плотность энергии и показатели безопасности. Основываясь на многочисленных-передовых исследовательских работах и отраслевых разработках, опубликованных в 2025 году-как представлено в официальном аккаунте WeChat *Технологии и приложения обработки пучком высокой энергии*-, эта статья предлагает-углубленный анализ технологической эволюционной логики лазерной сварки в эпоху преобразований. Анализ охватывает спектр от технологических узких мест, присущих инфракрасным волоконным лазерам, до прорывов, достигнутых с помощью гибридных источников тепла синего и инфракрасного диапазона, а также от использования единственного гауссова луча до реконструкции энергетического поля, обеспечиваемой многоплоскостным преобразованием света (MPLC) и оптикой с регулируемым кольцевым режимом (ARM). Цель состоит в том, чтобы представить отрасли полную панораму этой технологической итерации, одновременно заглядывая в будущее в области производства твердотельных-батарейных батарей, где лазерная технология-благодаря точному контролю на микро- и наноуровне позволит решить огромные проблемы соединения, создаваемые экстремальными материалами, такими как литий-металлические аноды и слои твердого электролита.
02
Основной текст
В сфере производства аккумуляторов для транспортных средств на новых источниках энергии технология лазерной сварки уже давно проникла на все критические этапы,-от взрывозащищенного уплотнения клапанов-и сварки электродных выступов до соединения гибких соединителей, сварки шин и сборки ПАКЕТА аккумуляторных модулей-, служащих физическим краеугольным камнем, обеспечивающим стабильные электрохимические характеристики аккумулятора. В настоящее время большие цилиндрические батареи,-примером которых является модель Tesla 4680,-значительно снижают внутреннее сопротивление и увеличивают мощность заряда-разряда за счет конструкции типа "столбик". Однако это нововведение одновременно привело к экспоненциальному увеличению количества этапов сварки и качественному изменению сложности самого процесса сварки. В производстве традиционных призматических или цилиндрических батарей волоконные лазеры ближнего-инфракрасного (ИК) диапазона уже давно занимают доминирующее положение благодаря их высокой плотности мощности и проверенной промышленной стабильности. Тем не менее, по мере того, как доля материалов с высокой отражающей способностью,-таких как медь и алюминий-, в конструкциях батарей увеличивается (особенно при сварке дисков токоотвода без стола, обнаруженных в батареях 4680), традиционные одномодовые гауссовы лучи сталкиваются с серьезными физическими ограничениями. При комнатной температуре степень поглощения меди инфракрасными лазерами в диапазоне длин волн 1064 нм составляет менее 5%. Следовательно, для инициирования ванны расплава требуются чрезвычайно высокие начальные затраты энергии; однако, как только материал начинает плавиться, скорость его поглощения мгновенно возрастает. Эта избыточная энергия часто вызывает бурное кипение в ванне расплава, что приводит к значительному разбрызгиванию и пористости. Для силовых батарей,-которые требуют максимальной безопасности-любые металлические частицы, образующиеся в результате брызг и попадающие внутрь аккумуляторного элемента, действуют как потенциальная «бомба замедленного действия» при коротких замыканиях. Как отмечается в исследовательской литературе,-например, в статье *Применение технологии лазерной сварки в производстве аккумуляторов*-системы силовых аккумуляторов обычно работают в суровых условиях, характеризующихся вибрацией и высокими температурами; таким образом, надежность сотен или тысяч сварных соединений внутри системы напрямую определяет общую безопасность автомобиля. Следовательно, фокус отрасли сместился с простой цели «достижения надежного соединения» к поиску прецизионных сварочных процессов, характеризующихся «нулевым разбрызгиванием, низким подводом тепла и высокой стабильностью». На данном этапе, хотя инфракрасные лазеры-благодаря методам оптимизации процесса, таким как колебательная сварка-, в определенной степени смягчили проблемы с дефектами, ограничения одного источника тепла становятся все более очевидными, когда приходится сталкиваться с плотными точками сварки по краям токосъемников аккумуляторов 4680 и изолирующими сепараторами, которые чрезвычайно чувствительны к тепловому воздействию. Следовательно, это вынудило инженерное сообщество искать новое поколение источников света и технологий формирования луча, способных фундаментально изменить механизмы взаимодействия света-материалов.
Достижения в области аккумуляторных технологий,-особенно переход от жидких к полу-твёрдым и полностью-твёрдым-электролитам, а также структурные изменения от намотанных к многослойным и большим цилиндрическим конструкциям-наложили строгие требования к технологии сварки, требуя, чтобы она была «более прохладной, точной и прочной». По мере наращивания массового производства аккумуляторов 4680 соединение между токосъёмной пластиной и фольгой положительного и отрицательного электрода представляет собой сложную задачу: соединение материалов совершенно разной толщины-в частности, ультра-тонкой фольги (в микронном масштабе) со значительно более толстыми токосъемниками (в миллиметровом масштабе). Кроме того, структура электродов «без стола» (полная-вкладка) требует, чтобы лазерный луч сканировал и сваривал огромное количество точек за чрезвычайно короткий период времени, что предъявляет беспрецедентные требования к возможностям динамического реагирования лазерной системы и контролю распределения энергии. Еще более радикальным является переход к твердотельным-батареям, в которых используются твердые электролиты на основе сульфидов, оксидов или полимеров, а также высокореактивные металлические литиевые аноды. Эти новые материалы демонстрируют гораздо большую чувствительность к тепловому воздействию, чем традиционные сепараторы; следовательно, высокотемпературная-плазма и сильные колебания ванны расплава, присущие традиционной сварке с глубоким-проваром (сварке с замочной скважиной), могут легко нарушить целостность слоя твердого электролита, что приведет к выходу из строя батареи. Следовательно, процесс сварки должен выполнять точный переход от «режима глубокого-провара» к «режиму стабильной теплопроводности» или «режиму контролируемого-провара». На этом фоне технология формирования луча стала жизненно важной инновацией, служащей мостом, соединяющим эпохи традиционных аккумуляторных технологий и-новых поколений. Публикации, размещенные на этом официальном аккаунте,-такие как *Формирование луча - будущее лазерной сварки?* и *Французская компания Cailabs достигает высокой-скоростной лазерной сварки меди с использованием технологии формирования луча MPLC*-, содержат подробные отчеты об этом революционном сдвиге. Применение технологии многоплоскостного преобразования света (MPLC) и дифракционных оптических элементов (DOE) освободило лазерное пятно от ограничений кругового гауссова распределения, позволяя модулировать его в различные формы,-включая кольца, квадраты или даже определенные асимметричные профили, такие как те, которые были впервые предложены Кайлабсом. Это пространственное перераспределение энергии фундаментально подавляет сильный выброс паров металла внутри замочной скважины, тем самым поддерживая открытое и стабильное состояние замочной скважины; при этом физически устраняются основные причины образования брызг и пористости. Например, исследование, проведенное Уорикским университетом относительно применения кольцевых лазерных лучей для соединения разнородных материалов Al-Cu, показало, что за счет точного контроля соотношения мощностей между центральным лучом и кольцевым лучом (например, 40% сердцевина / 60% кольцо) можно значительно уменьшить образование хрупких интерметаллических соединений (IMC). Этот вывод имеет важное значение для соединения новых композитных токосъемников-процесса, который, вероятно, будет использоваться при производстве твердотельных-батарей.
Поскольку мы сосредоточиваем наше внимание на твердотельных-батареях,-которые широко рассматриваются как оптимальное энергетическое решение-, роль лазерной сварки становится все более тонкой и важной. Производство твердотельных-батарей выходит за рамки простой металлической конструкции; он все чаще включает микро- и нано-обработку поверхности и межфазное соединение электродных материалов. На данном этапе внедрение лазерных источников с различными длинами волн становится ключом к преодолению технических узких мест. Быстрый рост популярности синих лазеров (длина волны около 450 нм) представляет собой одно из наиболее значительных технологических достижений последних лет. Согласно таким исследованиям, как *Влияние подавления выброса на эффективность сварки чистой меди с использованием синего диодного лазера мощностью 15 кВт* (Университет Осаки, Япония) и *Сварка медных шпилек кондукцией синего лазера мощностью 3 кВт* (Миланский политехнический институт, Италия), медь демонстрирует степень поглощения синего света более 50 %-, что в десять раз превышает ее скорость поглощения инфракрасного света. Это означает, что синие лазеры могут обеспечить стабильное плавление медных материалов при чрезвычайно низких уровнях мощности, работая в основном в режиме теплопроводной сварки, который практически исключает разбрызгивание. Эта возможность идеально подходит для подключения анодных выводов твердотельных-батарей, которые очень чувствительны к тепловому удару. Однако синие лазеры обычно обладают относительно низким качеством луча, что затрудняет получение сварных швов с высоким соотношением глубины-к-ширине. В результате технология гибридного луча «синий + инфракрасный» (гибридная лазерная сварка) стала общеотраслевым-консенсусным решением. Используя синий лазер для предварительного нагрева для улучшения поглощения материала, а затем применяя инфракрасный лазер высокого-лучя-качества для достижения глубокого проплавления, этот синергетический подход обеспечивает достаточную глубину сварного шва, сохраняя при этом исключительную стабильность в ванне расплава. Дальнейшие исследования, проведенные Эрлангенским университетом-Нюрнбергом, подтвердили, что комбинированное применение различных длин волн эффективно регулирует динамику потока расплавленной ванны,-фактор, имеющий решающее значение для сварки металлического лития или коллекторов тока с покрытием, которые, вероятно, будут использоваться в будущих конструкциях твердотельных-батарей. Кроме того, роль лазеров с ультракороткими-импульсами (пикосекундными/фемтосекундными) в производстве твердотельных-батарей должна значительно расшириться. Эти лазеры больше не ограничиваются исключительно резкой. Эти лазеры все чаще будут использоваться для микро-текстурирования поверхностей твердых электролитов,-тем самым улучшая межфазный контакт,-а также для не-неразрушающего соединения ультра-тонкой фольги из металлического лития, используя их характеристики «холодной обработки» для предотвращения термического повреждения.
Заглядывая в будущее, можно сказать, что эволюция лазерной сварки в контексте твердотельных-батарей и более широкая революция в аккумуляторных технологиях следующего-поколения будет характеризоваться двойной тенденцией: «интеллектуализация» и «крайняя оптимизация». С одной стороны, поскольку конструкции аккумуляторов становятся все более сложными, полагаться исключительно на настройки параметров процесса с разомкнутым-контуром уже недостаточно для удовлетворения требований по производительности. Следовательно,-адаптивные сварочные системы с замкнутым контуром,-интегрирующие высокоскоростные-камеры, фотодиоды, ОКТ (оптическая когерентная томография) и алгоритмы искусственного интеллекта-готовы стать стандартным оборудованием. Как отмечается в статье *Обработка лазерных материалов на основе искусственного интеллекта*, используя алгоритмы машинного обучения для анализа изображений ванны расплава и акустооптических сигналов в режиме реального времени, эти системы могут предсказывать потенциальные дефекты в течение миллисекунд и динамически регулировать мощность лазера или траектории сканирования-эта возможность критически важна для снижения затрат и повышения эффективности на линиях по производству твердотельных-батарей, где стоимость материалов исключительно высока. С другой стороны, режимы управления энергией лазера будут развиваться от простого режима непрерывной волны (CW) к более сложной пространственно-временной модуляции. Профили лучей регулируемого кольцевого режима (ARM) будут подвергаться дальнейшим итерациям для достижения временной синхронизации на наносекундном-уровне между кольцевыми и центральными лучами; в сочетании с методами «колебательной» сварки, управляемыми гальванометром,-это создаст многомерную систему управления, охватывающую форму луча, временные пульсации и пространственные колебания. Например, при сварке ультра-тонких токосъемников в твердотельных-батареях лазерному лучу может потребоваться принять "подковообразное" или "двойное-C" распределение интенсивности-в сочетании со сверх-высоко-частотными колебаниями-, чтобы минимизировать термический удар по нижележащему слою твердого электролита. Кроме того, в контексте литий-металлических анодов лазеры могут использоваться для очистки *in-на месте* или модификации поверхности или даже использоваться для точного ремонта твердых электролитов с помощью технологии лазерного-индуцированного прямого переноса (LIFT).
Подводя итог, можно сказать, что эволюционный путь от цилиндрических элементов большого-формата 4680 к твердотельным-батареям отражает трансформацию самой технологии лазерной сварки-с переходом от парадигмы "широкого-хода, высокой-обработки энергии" к парадигме "точного, легкого-центрического управления". Инфракрасные волоконные лазеры заложили основу для масштабного производства; кольцевые профили луча и технология много-импульсного лазерного управления (MPLC) позволили решить критические проблемы технологического процесса, связанные с материалами с высокой отражающей способностью и контролем разбрызгивания; Между тем, внедрение синих, зеленых и гибридных источников света открыло новые физические возможности для соединения экстремальных материалов. В будущем, благодаря глубокой интеграции искусственного интеллекта и технологий многомерной модуляции светового поля, лазерная сварка больше не будет просто одним технологическим этапом на линии по производству аккумуляторов; скорее, она превратится в базовую технологию, которая определяет степени свободы в структурном проектировании аккумуляторов и раздвигает границы пределов плотности энергии. У нас есть все основания полагать, что в рамках этого глубокого диалога между «светом» и «электричеством» лазерные технологии продолжат расширять границы глобальной энергетической трансформации в направлении более безопасного и эффективного будущего.
