超声波金属焊接--电动汽车锂电池

锂电池技术中，涉及到的金属焊接方式有三种：铜/铝箔到极片(foil to tab)，极片到极片(tab to tab)，极片到极耳(tab to bus)。其中，铜/铝箔焊接到极片上，难度最大。因为金属焊接的两端采用不同厚度和材料的金属，一端（tab）相对较厚（例如0.2mm），另一端由多层极薄的金属片构成。下图展示了一个锂离子电池单元的剖面图。

其中，极箔到极片的焊接，是将电池内部所有阴阳极箔连接到对应的极片上，从而将电池内部能量传到外部。数以百计的锂电池单元构成典型的锂电池组。各电池单元之间采用串联或者并联方式组合，如果一个极箔与极片连接出现故障，那么将导致整个电池组的输出故障。因此，极箔与极片之间稳健牢固的连接，至关重要。

上述多层箔到极片的连接，是采用超声波金属焊接（UMW），该工艺过程如下图所示。超声波金属焊接非常适合于不同金属材料（如铜，铝和镍）之间的焊接。两个金属件通过压力压紧，以超声波高频（通常是20Khz-40Khz）进行相对振动，摩擦产生的热量可以消除金属表面的氧化物和污染物，同时两个形成“光滑”的金属表面。此时，在适当的压力和热量下，两者之间形成了焊缝。

该过程有几个优点。由于它是固态过程，因此适应不同材料的组合，避免金属化合物的产生。非常适合高导电材料如镀铜材料之间的焊接。整个过程不需要高功率，焊接周期非常短，只有几分之一秒。在一次操作中可焊接多层薄材料。

相比较电阻点焊（RSW）和激光束焊接（LBW），超声波金属焊接（UMW）是锂离子电池应用中更为理想的连接工艺。RSW依靠材料的阻力来产生热量以进行连接。然而，通常用于电池工业的铝箔和铜箔具有极低的电阻，且铝箔表面形成的坚韧氧化物层，抑制RSW的应用。LBW对焊接两端的材料层间隙非常敏感。一般经验认为，间隙应小于材料厚度的10％，即12μm的箔片将需要1.2μm或更小的间隙，这些要求难以实现。对于超声波金属焊接工艺，则没有以上这些问题。

典型的锂离子电池单元，使用铜箔作为阳极集电器，铝箔作为阴极集电器。因此，我们分别对两种情况进行测试——（1）铝箔与铝接头连接；（2）铜箔与铜接头连接。测试模型如上图所示。其中，极片厚度0.13mm，箔片厚度12和25μm，箔片堆叠高度为20和60层。

对上述横截面的观察，我们对箔片压缩，箔片失效和接头最终状态有了更清楚的认识。采用更薄箔片和更少层数的金属焊接工艺，两侧邻近焊接区域的箔片变形和位移加剧，略显松散和强度不足。相反，采用更厚箔片和更多层数的金属焊接工艺，两侧粘合区域更大，强度更大。

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