Сварка литиевых батарей: от мифов к рабочему стенду 

Когда слышишь ?сварочные литиевые батареи?, первое, что приходит в голову большинства — это лазерная сварка корпусов 18650 или что-то в таком духе. Но на деле, если копнуть глубже в производство или, что важнее, в R&D, всё оказывается куда интереснее и капризнее. Много раз сталкивался с тем, что люди путают сварку самой банки со сваркой токосъёмников, сборкой шин или даже ремонтом. А это, по сути, разные вселенные с точки зрения подхода, рисков и требуемого ?железа?. Сам через это прошёл, набив немало шин, пока не нашёл баланс между технологичностью и практической реализуемостью в условиях лаборатории или мелкосерийного производства.

Где начинаются реальные сложности: не корпус, а контакт

Итак, лазерная сварка корпуса — это, как правило, этап заводской, высокоавтоматизированный. Гораздо чаще в практике разработки или при сборке опытных образцов встаёт вопрос о надёжном соединении токосъёмников — тех самых табов от анода и катода. Вот здесь и начинается основная головная боль. Материал этих табов — обычно никель или алюминий, иногда с покрытиями. И если никель ещё как-то поддаётся, то сварка алюминиевых токосъёмников — это отдельный квест. Окисная плёнка, теплопроводность… Знакомо? Стандартный импульсный сварочник для аккумуляторов тут может дать нестабильный результат.

Помню, как мы в одной из попыток собрать плотный пакет для высокотокового применения использовали точечную контактную сварку. Вроде бы, всё по учебнику: очистили поверхности, подобрали параметры. Но при тестовых циклах разряда высокими токами один из контактов отгорел. Причина — микропора внутри сварной точки, которую не увидишь визуально. Точка держала механически, но электрическое сопротивление было выше. Это привело к локальному перегреву и, как следствие, отказу. После такого начинаешь с большим уважением относиться к этапу подготовки поверхности и валидации параметров для каждого нового типа материала.

Кстати, о параметрах. Многое зависит от конкретной химии ячейки и её назначения. Для LFP-элементов, где важна стабильность, можно допустить чуть более глубокий прогрев. А вот для высокоэнергетических NMC — уже нет, риск повредить внутренние слои возрастает в разы. Часто приходится идти методом проб и ошибок, ведя журнал: сила тока, длительность импульса, давление электродов, состояние поверхности. Без этого — никуда.

Оборудование: не всегда ?чем дороже, тем лучше?

Вот здесь хочу сделать отступление про оборудование. Гонка за брендовыми лазерными сварочными аппаратами иногда неоправданна для R&D-целей. Да, для конвейера — другое дело. Но когда нужно варить 10-20 прототипов в неделю, с разными форматами ячеек (призматические, цилиндрические, pouch), важна гибкость. Иногда хороший полуавтоматический импульсный аппарат для точечной сварки с цифровым управлением даёт больше контроля на этапе отладки процесса.

Например, когда мы работали над созданием экспериментального стенда для тестирования новых композитных материалов электродов, критически важным было не перегреть активную массу. Использовали как раз оборудование, позволяющее делать серию микропробных сварных точек с последующим анализом сечения. Это кропотливо, но даёт бесценные данные. К слову, часть такого специализированного оборудования для исследований и экспериментов с литиевыми батареями поставляют компании, которые сами погружены в эту тему. Как та же ООО Гуандун Сяовэй Нью Энерджи Технолоджи (https://www.www.xiaoweitop.ru). Они как раз с фокуса на R&D-оборудовании для материалов и литиевых батарей начинали, и это чувствуется — их решения часто заточены под нестандартные, исследовательские задачи, а не только под тиражирование готовых процессов.

Важный момент — оснастка и расходники. Конфигурация электродов для сварочных клещей — это целая наука. Форма (острые, плоские, радиусные), материал (медь-вольфрам, сплавы)… Неправильно подобранный электрод может ?задавить? тонкий таб или, наоборот, не обеспечить контакта. У меня был случай с pouch-ячейкой, где мы использовали медные токосъёмники. С первого раза сварка не пошла — медь отводила тепло слишком быстро. Пришлось экспериментировать с многоимпульсным режимом с постепенным нагревом, чтобы добиться качественной точки без пережога ламинатной оболочки самой ячейки.

Контроль качества: во что стоит смотреть помимо ?держит/не держит?

Самая грубая ошибка — проверить сварное соединение ?на отрыв? и успокоиться. Механическая прочность — это лишь один из критериев. Для сварочных литиевых батарей ключевым является электрическое сопротивление соединения. И его нужно замерять микроомметром непосредственно после сварки и, что крайне желательно, после нескольких термоциклов. Повышение сопротивления на единицы микроом — уже тревожный звоночек.

Ещё один метод, который мы внедрили после нескольких неудач — это проверка срезов. Выборочно, конечно, не на каждой ячейке. Делаешь срез через сварную точку, полируешь и под микроскопом смотришь на сплавление материалов, отсутствие пор и трещин. Особенно это критично для сварки разнородных металлов, например, никелевого таба на алюминиевую шину. Здесь может образовываться хрупкая интерметаллидная фаза, которая убьёт соединение при вибрациях.

Визуальный контроль тоже важен, но ему нельзя доверять полностью. Блестящая, ровная точка может скрывать внутренние дефекты. И наоборот, слегка потемневшая область вокруг точки не всегда признак пережога, иногда это просто след от защитной атмосферы (если сварка идёт в аргоне, например). Нужно вырабатывать свой собственный ?калиброванный глаз? на основе сопоставления визуальной картинки и данных приборов.

Безопасность — не пустой звук, а обязательный протокол

Работа с литиевыми батареями на стадии сварки — это постоянное управление рисками. Всегда есть шанс короткого замыкания через инструмент или из-за брака в изоляции ячейки. У нас в мастерской было жёсткое правило: перед любой манипуляцией, особенно сваркой, проверять напряжение и сопротивление изоляции каждой ячейки. И никогда не варить на заряженной батарее. Максимум — при 30-50% SOC, и то только если этого требует технологический процесс. Лучше всего — при минимальном заряде.

Обязательна защита самой ячейки от перегрева. Мы использовали медные теплоотводы-зажимы, которые отводили тепло от тела элемента в месте, близком к сварке. Особенно для цилиндрических элементов, где легко повредить сепаратор внутри. Один раз, пренебрегши этим, получили ?потёкшую? ячейку после циклирования. Внутренний дефект от перегрева при сварке дал о себе знать не сразу, а через две недели тестов.

И, конечно, средства индивидуальной защиты. Защита для глаз от вспышки (особенно при лазерной сварке), перчатки, отсутствие легковоспламеняющихся материалов вокруг. И огнетушитель класса D (для металлических пожаров) или, на худой конец, ящик с песком всегда под рукой. Это не паранойя, это необходимый минимум, когда работаешь с энергией, запасённой в таких плотных формах.

Взгляд в будущее: что меняется в подходах к сварке

Сейчас всё больше говорят о сварке ультразвуком для алюминиевых соединений. Метод перспективный, так как это холодная сварка, нет риска перегрева. Но и у него свои тонкости: требуется идеальный контакт поверхностей, определённая жёсткость системы. Пробовали на тонких алюминиевых фольгах для экспериментальных ячеек — работает, но нужно очень точно калибровать амплитуду и давление. Думаю, за этим направлением будущее в сборке высокоточных батарейных модулей, особенно для аэрокосмической или медицинской отраслей.

Ещё один тренд — это интеграция процесса сварки в общую цифровую цепочку данных об элементе. Когда параметры сварки каждой конкретной точки (ток, сопротивление, температура) привязываются к серийному номеру ячейки и заносятся в её ?цифровой паспорт?. Это уже не R&D, а вопрос traceability и предиктивного анализа в промышленном производстве. Но начинается-то всё с тех самых экспериментов на лабораторном стенде, где и отрабатываются эти корреляции.

В итоге, возвращаясь к началу. Сварочные литиевые батареи — это не про одну операцию. Это комплексный процесс, где глубокое понимание материаловедения, электротехники и практических навыков работы со специфичным оборудованием сливаются воедино. Ошибки здесь дорого стоят, но и опыт, накопленный через эти ошибки, бесценен. Главное — не бояться пробовать, но пробовать с умом, постоянно фиксируя данные и анализируя результаты. Только так можно прийти к по-настоящему надёжному и повторяемому процессу, будь то в исследовательской лаборатории или на сборочной линии.