ファイバーレーザの活用によるバッテリー溶接

高度なレーザ技術により、経済的な製造に必要な高速精密接合を実現

2021年8月25日、Coherent

電気自動車用のより大きなフォームファクタの円筒形電池の設計と構造は、自動車メーカーと消費者にいくつかの同様の利点をもたらします。ドライバーにとっては、より広い走行距離、より多くの電力、より短い充電時間、より長い寿命、および寒い天候でのより良い作動などが含まれます。メーカーは、生産の合理化とコストの削減を期待できます。

EVバッテリーの製造での注意点は何ですか？

さまざまな大型フォームファクタの円筒形バッテリーの設計を、さまざまなメーカーが追求しています。これらの設計には、特に接合加工方法に関して、それぞれ独自の特定の製造上の課題があります。たとえば、一部の電気自動車用バッテリー設計には集電体が組み込まれており、溶接の深さを非常に正確に制御して、これらをジェリーロールに結合する必要があります。これは、セル内の短絡につながる可能性のあるセパレーターの損傷を回避するために必要となります。同様に、端子からコレクターへの溶接でも、慎重な溶け込み制御が必要です。ポリマーアイソレータの溶融や損傷を引き起こす可能性があるため、この操作中にバッテリーに送り込まれる熱量を制限することが特に重要です。

キャップシーリングは、過去に小型のフォームファクタのバッテリーで機械的圧着を使用して成功したもう1つの接合加工方法です。ただし、圧着はより大型のセルではうまく機能しないため、新しいアプローチが必要となります。

現在の要件は何でしょうか。

バッテリーの製造には他にも多くの溶接加工方法がありますが、これらはメーカーや設計によって異なります。しかし、最も難易度が高いが魅力的で精度の高いものはすべて、以下の必要性を含む特定の共通の要件を共有しています。

熱の影響を受けるゾーンを最小限に抑える
正確な溶け込み深さの制御
スパッタの除去
高い加工速度（通常、200〜500 mm/秒の範囲）

さらに、いくつかの重要なバッテリー接合加工方法では、異種金属の溶接も必要です。

これらの各要件は過去に難易度が高いことが示されており、すべての加工方法で適切に機能する単一の接合技術は実際にはありませんでした。その結果、メーカーはさまざまなソリューションを追求してきました。そのようなソリューションには、銅を溶接するための緑色波長レーザ（赤外線源によるこの材料の低吸収を克服するため）、および金属箔とタブの接合のための超音波溶接のような非レーザベースの方法などがあります。

適切なレーザで武装する

Coherentは、これまでになく広く適用できる新しいタイプのレーザを開発しました。これが可能なのは、この技術が、空間分布と時間の両方の観点から、レーザエネルギーが作業面にどのように供給されるかを前例のない高い精度で制御できるためです。

ここで鍵となるイノベーションが、モード可変ビーム（ARM）技術です。このファイバーレーザは、従来のシングルスポット出力とは対照的に、ビームがレーザ光の別の同心リングに囲まれた中央スポットで構成されています。最も重要なことは、センタースポットとリングスポットの出力を個別に制御でき、変調さえできることです。この図は、このアプローチが、溶接中にレーザエネルギーを正確に分散する方法に非常に高い柔軟性をもたらすことを示しています。

画像:基本的なFL-ARMフォーカススポット出力パターン。

ARM技術の利点は、メルトプールのダイナミックを非常に正確に制御できることです。これにより、より一貫性のある制御可能な加工が実現し、スパッタが実質的に排除されます。このタイプのレーザは、リングビームを使用して材料を予熱できるため、銅の溶接に特に役立ちます。これにより、赤外線の吸収が大幅に増加します。また、高出力密度のセンタービームオプションにより、IR光を銅に確実に結合できます。ファイバーレーザの実用的でコスト面での利点に加えて、これにより、ARMファイバーレーザは銅溶接用の緑色固体レーザの非常に魅力的な代替品になります。

非常に多くの異なる作業を実行できる単一タイプのレーザ光源を持つことで、メーカーはより高い柔軟性と経済性を得ることができます。たとえば、ビームスイッチを使用して、1つのレーザからの出力を複数の加工方法間で共有できます。これにより、生産が合理化され簡素化されます。また、製造加工方法の複数のポイントで共通のレーザタイプを使用すると、スペア部品の在庫を減らし、メンテナンスや修理のダウンタイムを最小限に抑えるのに役立つ冗長性が提供されます。

より大きなフォームファクタの電気自動車用バッテリー設計が可能になることで、電気自動車がドライバーにとってより実用的なものになり、メーカーの製造コストの低減につながることが期待されます。ただし、これらのセルのより大きなフォームファクタ、より高い駆動電流、および生産スループットの期待の向上には、レーザベースの溶接技術が必要となります。 Coherent Highlight FL-ARM Seriesファイバーレーザは、製造に必要な正確で要求の厳しい接合作業に最適で最も経済的なソリューションを提供し、他のバッテリー加工作業における有効性がすでに証明されています。