激光焊接应用市场分析之锂电

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激光焊接在锂电池领域的应用

锂离子电池由于具有比能量高、循环寿命长、自放电小、无记忆效应和无污染等优点,广泛应用于各种电子设备(如移动电话、笔记本电脑、PDA、数码相机及数码摄像机等)以及交通工具(巡逻车、电动自行车、电动汽车等)上,成为我国能源领域重点支持的高新技术产业。

动力电池指应用于电动车的电池,是相对于小容量电池(如手机、笔记本电脑电池等)而言的,具有较大的容量和输出功率,可用于电动车辆驱动电源及大型移动电源应用领域的二次电池。锂离子电池或电池组的制作工序非常多,而其中有多道工序,如防爆阀密封焊接、极耳焊接、软连接焊接、安全帽点焊、电池壳体密封焊接、模组及PACK焊接都以激光焊接为最佳工艺。动力电池用于焊接的材质主要有纯铜、铝及铝合金、不锈钢等。

图表 1 激光焊接在锂电池中的应用

激光焊接应用市场分析--锂电

激光焊接应用市场分析--锂电

资料来源:OFweek研究中心

1、电池防爆阀焊接

电池的防爆阀是电池封口板上的薄壁阀体, 当电池内部压力超过规定值时, 防爆阀阀体破裂, 避免电池爆裂。安全阀结构巧妙,这道工序对激光焊接工艺要求极为严格。没有采用连续激光焊接之前,电池防爆阀的焊接都是采用脉冲激光器焊接,通过焊点与焊点的重叠和覆盖来实现连续密封焊接,但焊接效率较低,且密封性相对较差。采用连续激光焊接可以实现高速高质量的焊接,焊接稳定性、焊接效率以及良品率都能够得到保障。

2、电池极耳焊接

极耳通常分为三种材料,电池的正极使用铝(Al)材料,负极使用镍(Ni)材料或铜镀镍(Ni-Cu)材料。在动力电池的制造过程中,其中的一个环节是将电池极耳与极柱焊接到一起。在二次电池的制作中需要将其与另外一铝制的安全阀焊接在一起。焊接不仅要保证极耳与极柱之间的可靠连接,而且要求焊缝平滑美观。

3、电池极带点焊

电池极带使用的材质包括纯铝带、镍带、铝镍复合带以及少量的铜带等。电池极带的焊接一般使用脉冲焊接机,随着IPG公司QCW准连续激光器的出现,其在电池极带焊接上也得到了广泛的应用,同时由于其光束质量好、焊斑能够做到很小,其在应对高反射率的铝带、铜带以及窄带电池极带(极带宽度在1.5mm以下)的焊接有着独特的优势。

4、动力电池壳体与盖板封口焊接

动力电池的壳体材料有铝合金和不锈钢,其中采用铝合金的最多,一般为3003铝合金,也有少数采用纯铝。不锈钢是激光焊接性最好的材质,尤其304不锈钢,无论是脉冲还是连续激光都能够获得外观和性能良好的焊缝。

铝及铝合金的激光焊焊接性能根据采用焊接方式的不同而略有差异。除了纯铝和3系铝合金采用脉冲焊接和连续焊接都没有问题,其他系列铝合金最优选择连续激光焊接方式,以减小裂纹敏感性。同时,根据动力电池壳体厚度选择合适功率的激光器,一般壳体厚度1mm以下时,可考虑采用1000W以内单模激光器,厚度在1mm以上需使用1000W以上单模或多模激光器。

小容量锂电池常采用比较薄的铝壳(厚度在0.25mm左右),也有18650之类的采用钢壳。由于壳体厚度的关系,此类电池的焊接一般采用较低功率的激光器即可。使用连续激光器焊接薄壳锂电池,效率可以提升5~10倍,且外观效果和密封性更好。因此有逐渐取代脉冲激光器在这个应用领域的趋势。

5、动力电池模组及pack焊接

动力电池之间的串并联一般通过连接片与单体电池的焊接来完成,正负极材质不同,一般有铜和铝2种材质,由于铜和铝之间采用激光焊接后形成脆性化合物,无法满足使用要求,通常采用超声波焊接外,铜和铜、铝和铝一般均采用激光焊接。同时,由于铜和铝传热均很快,且对激光反射率非常高,连接片厚度相对较大,因此需要采用较高功率的激光器才能够实现焊接。

激光焊接锂电池的特点

从锂电池电芯的制造到电池PACK成组,焊接都是一道很重要的制造工序,锂电池的导电性、强度、气密性、金属疲劳和耐腐蚀性,是典型的电池焊接质量评价标准。焊接方法和焊接工艺的选用,将直接影响电池的成本、质量、安全以及电池的一致性。激光焊接凭借焊接安全可靠、工艺精密、环保等优势,成为了很多焊接任务的首选方案。

图表 2 激光焊接的特点及优势

激光焊接应用市场分析--锂电

锂电池产业的发展状况分析

1、锂电池产业发展情况

经过十多年的发展,中国锂电池行业已经建立了包含锂矿采选、材料供应、电芯及PACK、电池回收等各个环节的完整产业链。锂电池行业在下游市场需求推动下,产量规模保持高速增长,从2012年的17.2 Gwh增长到2017年的88.7 Gwh,5年时间内,产量增长了4倍。

图表 3 2012 -2017年中国锂电池芯年产量及增速(单位:Gwh)

激光焊接应用市场分析--锂电

资料来源:OFweek研究中心

电动交通工具(最主要是新能源汽车)、3C数码、储能行业是锂电池产业发展的三大推动力。2016年,新能源汽车以30.8 GWh的需求量超过3C数码,成为锂电池最大消费市场,到2017年动力电池产量增长至44.5GWh。储能电池发展潜力巨大,但由于技术、政策等原因仍处于市场导入阶段,相对于动力电池相对滞后。未来随着技术逐渐成熟,储能市场也将成为拉动锂电池消费的另一极。

2、新能源汽车及动力电池产业发展情况

随着全球能源危机和环境污染问题日益突出,产业节能化、环保化发展被高度重视,新能源汽车出现爆发式增长。产量由2012年1.26万辆增长至2017年的79.4万辆,年复合增长率高达99.4%。2017年产销分别为79.4万辆和77.7万辆,同比分别增长53.6%和53.3%,产销量同比增速分别提高了2.1和0.3个百分点。2017年新能源汽车市场占比2.7%,比上年提高了0.9个百分点。中国已超过美国成为全球范围内第一大新能源汽车市场,连续三年产销量居世界第一。

图表 4 2012-2017年中国新能源汽车产量( 单位 :万辆)

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资料来源:OFweek研究中心

动力电池作为新能源汽车核心零部件,其发展紧随新能源汽车整体市场趋势,动力电池市场也呈现爆发式发展趋势,资本的大量涌入带动了力电池产量的大幅提升。

图表5 2012-2017年中国动力电池需求量分析及预测(单位:Gwh)

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资料来源:OFweek研究中心

2017年中国汽车用动力电池产量达到44.5Gwh,同比增长45%。OFweek预计,未来四年,动力电池需求量将保持着40%以上的年复合增长速度,到2020年,中国新能源汽车动力电池需求量将突破120Gwh。

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