电动汽车目前是比较热的话题，它较传统汽车有着多方面的优势，尤其以噪音小和“碳排放”减少最为显著，但是电动汽车由于现有工艺的某些技术问题，生产过程中也存在着很多瓶颈。作为动力源的电芯、电池模组是电动汽车的核心部件，他们的生产过程就有着很多的技术障碍，尤其是在“量产化”的框架下，传统生产过程有着很大的瓶颈，比如说，生产设备的自动化程度，加工设备的稳定性，新工艺、新材料的特殊要求等，本文将探讨电芯、模组的生产和组装过程中一个重要环节——激光焊接。

电芯生产过程中的激光应用

电池的发展历史已经有数十年甚至更久，但是新型、高能储的电池出现时间并不长，目前国内主流厂家都在研发和生产以磷酸铁锂为介质的铝壳电池，虽然外形、材料等国内尚没有一个国标的尺寸，但是电芯的外壳多以铝材为主，主流厂家使用的铝材以1000系和3000系较多，使用铝材的一个主要原因是铝材相对较轻且成本比较低廉，适合于大众消费者接受，但是铝材料在热加工领域却是属于比较“顽皮”的份子，也正因此铝曾经被称为“贵族”金属，如今提炼和锻造已经不存在任何技术障碍，但是铝材的切割、焊接却往往还是技术难点，究其原因主要是铝表面易形成一层氧化层，其氧化层又与母材的物理性质相差甚远，所以在做切割和焊接工艺时会有较多的技术问题；当然，铝材由于其合金的特性，在激光加工时也会造成很多复杂问题，比如说6000系的铝材由于含有镁、硅等元素，在进行激光加工时，飞溅会非常剧烈且焊接表面极其粗糙并且经常性会在焊痕处留下裂纹，最终往往会被很多工艺舍弃。

动力电池的电芯主流目前分三种类型，分别是，方型铝壳、圆型铝壳以及被冠以“咖啡包”美名的软包电芯（图一），目前国内公路上行驶的一些电动小车内，这三种电池都有应用，比亚迪的E6和K9电动车是方型电池，杭州万向为电芯供应商的一些电动车厂家使用其软包电池，上汽系某些电动车车型则使用曾经名噪一时的美国A123公司的圆型电芯，在此就这三种不同电芯分别讨论相关的激光应用。

图一，分别为圆型电池、软包电池、方形电池示意图。

方型电池的各焊接工艺最重要的工序是壳盖的封装，根据位子的不同分为顶盖和底盖的焊接，有些锂电池厂家由于生产的电池体积不大，采用了“拉深（Deep Drawn）”工艺制造电池壳，因此只需进行顶盖的焊接。用于动力电池的电芯由于遵循“轻便”的原则，所以除了采用较“轻”的铝材质外，还需要做得更更“薄”，一般壳、盖、底基本都要求达到1.0毫米以下，主流厂家目前基本材料厚度均在0.8mm左右。焊接方式主要分为侧焊和顶焊，侧焊的好处主要是对电芯内部的影响较小，飞溅物不会轻易进入壳盖内侧，由于焊接后可能会导致凸起，这对后续工艺的装配会有些微影响，因此侧焊工艺对激光器的稳定性、材料洁净度等要求极高，在自动化方面，侧焊对设备的要求很高；而顶焊工艺由于焊接在一个面上，对焊接设备集成要求比较低，量产化简单，但是也有两个不利的地方，一是焊接可能会有少许飞溅进入电芯内，二是壳体前段加工要求高会导致成本问题。面对以上问题的处理各厂家也是见仁见智，比如国际锂电巨头SBL（三星博世），国内新能源新星公司ATL等都倾向于使用顶焊的工艺，而其他很多厂家都是以侧焊为主，目前国内主流的焊接设备开发厂家也是以侧焊作为主要方向。图三是使用激光进行封口焊接时的一些具体数据，达到的效果非常好且效率极高。当然铝材的焊接不是一朝一夕就能达到完美效果的，铝的焊接问题尤为显著，比如说，焊痕表面的凸起问题，焊痕表面的气孔问题，焊接过程中的炸火问题，内部气泡问题，等等。表面凸起是激光焊接的致命伤，很多应用由于此原因不得不停止或者想办法规避，在很多电芯厂家研发初期，这是一个很头疼的问题，主要原因就是采用的光纤芯径过小或者激光能量设置过高导致，特别是在某些激光供应商鼓吹光束质量越好，焊接效果越优秀的前提下，其实这是一个彻头彻尾的错误理论，光束质量好适合于深熔焊接[即熔深较大的叠加（Overlap）焊接，后文会提及电极连接及汇流片(Bus-Bar)相关的焊接状况]，专业的激光供应商会陪伴电池制造厂一起寻找出合适的参数，并控制住这一会影响电芯组装的重大问题；另外关于炸火（也称飞溅，Splash）问题，引起炸火的因素很多，材料的清洁度、材料本身的纯度、材料自身的特性等等，激光器的稳定性也是决定性的，我们在焊接铝、铜等材料的同时进行过高速摄像的录制，在我们针对壳盖焊接工作了若干工作日后，找到了一些较理想的控制炸火的焊接参数，应该说整个问题得到了有效的控制，关于气孔、气泡等问题后续我会继续在行业内的其他场合或者本杂志与大家进行交流，敬请期待（请参考图三我们实验室焊接的一些实样）。

图二，分别为壳盖两种焊接形式的示意图。

图三，壳盖焊接侧焊和顶焊的实际样品。

接下来我们讨论一下另一个较重要环节的焊接过程，即电芯与电极连接的问题，过去曾见过很多使用超声波焊接方式来完成此过程，因为超声波在焊接“箔材”有它一定的优势，但是效率低下和集成性差导致我们必须找一种新型的焊接方式来完成此任务，激光焊接——特别是高功率的连续型激光焊接很好的完成了此任务，由于技术保密的原因，笔者在此只能以简单的图片示意出相关焊接的效果图。其实基本的焊接过程是将“箔材”通过一些处理方法“压固”后再焊接到作为电极的“板材”上，当然说起来只是一句话，实验起来将是多日的功夫，我们在实验上面花费的时间也是非常不菲的。

激光在方型电池电芯的生产过程中还有很多应用，比如说注液孔、防爆阀等的焊接，还有极片的切割，在这里我要重点提一下极片切割的应用，目前国内的主流厂家包括传统的小型锂电池厂家，基本都是使用机械切割极片，即使用刀具，但是刀具切割有着很多的问题，比如说变形、含锂层的脱落、刀具损耗的成本问题等，其实在电池生产工艺较先进的日本，早就在尝试使用激光进行切割，我们也进行过多次类似的实验，在此也与大家分享一下。

图四、五，分别为正负极材料在激光切割后的效果图。

极片的切割主要有三道工序，分条、分割和切极耳（即“长城”形状）这三段工序由于其几何形状、切割连续性有差异，也存在着不同的焊接要求，因此难度也不一样，分条（Slitting）切割较简单，我们可以使用高功率连续激光器高速度的进行工作，经过我们的实验证明效果也是非常不错的；分割与分条类似，但是切割方向与极片“卷材”垂直，因此要求较高，但是目前实验情况也很理想，不存在技术障碍，但是极耳的切割相对要求较高，特别是对激光能量的稳定性存在极其严苛的要求，由于工艺的不同，日本很多电池企业并未涉及此工艺，可能这也是他们在极片切割走在激光应用前列的一个主要原因。当然，激光切割也有很多的局限，比如能量控制不稳情况下出现的“锂层”的熔融，激光切割质量与效率之间的矛盾等都是限制激光大规模应用的重要原因，但是相信在我们众多电池厂家和专业激光供应商的共同努力下，激光切割也一定能在国内电芯制造领域扮演重要角色。

前面我们说过，电芯除了方型电池外还有二种，包括软包和圆型电芯，其中圆形电芯与方型的激光应用几乎完全一致，不同的是在顶盖和底盖焊接时更适合量产化的集成，主要原因是在“侧焊”时，圆型外壳正好可以贴合运动轨迹，而不需要碰到“拐角”，传统电池厂家SAFT、Maxwell还有大型动力电池生产厂家A123都是原型电池的重要生产者；但同时原型电池由于其后续集成的难度也让很多国内的电芯厂家望而生畏，并不是目前最主流的产品形式；而软包电池电芯的激光应用较小，主要以极片切割和电芯与电极之间的焊接为主，因与方型电池相关应用类似，也不一一细说，让我们继续我们的后续话题。

激光在动力电池模块和电池模组中的应用及电动车其他相关零部件的激光焊接

为了让更多大家对动力电池制造工艺能有个更感性的了解，我还是拿一张图演示一下电池从初期到成品的整个过程，如图六所示，我列出了4大工序，其中第一步便是我们之前所交流的电芯，后续分别是前文提及的电池单元、电池模组、电池模块和电芯的示意图。激光在这里的应用主要是指汇流片的连接、模块及模组的封装焊接等，由于篇幅的限制，后续我会针对性的讨论这里的焊接问题，虽然这些应用和普通的钣金焊接类似，但是由于“电池”行业对材料的要求较高，紫铜、铝材等的激光焊接加工工艺着实是一个很系统的议题。另外，在电动汽车其他相关零部件，激光焊接也是非常重要的工序，比如说电动马达的引出端子（铜材焊接）、电池模组的散热装置等等。

可以说激光焊接影响了高端传统发动机汽车的品质，在电动汽车领域，激光焊接同样影响和决定着整个产品的品质和产量，激光焊接的效率和质量就是电动汽车的生产力。

敬请期待后文，谢谢。

图六，电池单元，电池模组，电池模块和电芯。