저자: Dany Huang, Ph.D.
TOB뉴에너지 대표이사 & R&D 리더
요약 및 주요 시사점
탭 용접은 용접에서 실패하기 훨씬 전에 표면에서 실패합니다. 알루미늄 탭은 8.8eV에 가까운 밴드 갭을 갖는 2~10nm 두께의 자연 산화물을 운반합니다. 이는 야금학적으로 결합되어야 하는 두 금속 사이에 있는 전기 절연체입니다. 용접 직전에 이를 제거하면 인장 강도와 접합 저항이라는 두 가지 중요한 수치가 모두 변경됩니다.
- 청소 후 일반적인 당김 강도 변화:버스바에 용접된 0.2mm 알루미늄 탭에서 이전에는 25~40N, 이후에는 45~65N, 분산은 25~40% CV에서 10% 미만으로 떨어졌습니다.
- 일반적인 관절 저항 변화:100A 연속 방전 경로에서 문제가 될 만큼 이전에는 0.8~1.5mΩ, 이후에는 0.2~0.4mΩ입니다.
- 산화물이 다시 자라납니다:공기 중에서 몇 분 안에 1~2 nm. 청소는 별도의 배치 단계가 아닌 인라인으로 용접 바로 상류에서 이루어져야 합니다.
- 레이저 절단은 공구 마모 없이 버를 10~15μm 미만으로 유지합니다., 스트로크마다 가장자리 품질이 저하되는 블레이드를 교체합니다.
탭 용접이 육안 검사를 통과했습니다. 튄 자국도 없고, 변색도 없고, 눈에 띄는 틈도 없습니다. 그런 다음 당김 테스트는 45N 사양에 대해 32N을 판독하고 관절 저항은 모델링된 값의 4배를 측정합니다. 용접 레시피에는 잘못된 것이 하나도 없었습니다. 용접을 요청한 표면은 애초에 금속이 아니었습니다.
이는 모든 광학 검사에서 결함이 보이지 않고 힘이나 저항을 측정할 때만 나타나기 때문에 셀 조립에서 가장 조용한 오류 모드 중 하나입니다. 엔지니어링 답변은 더 강력한 용접 일정이 아닙니다. 매 사이클마다 라인에서 용접 전 몇 초 안에 표면 준비가 이루어집니다.
용접이 이루어지기 전에 탭 표면이 용접 강도를 결정하는 이유
알루미늄은 맨손으로 유지되지 않습니다. 신선한 표면은 주변 공기에서 몇 초 내에 산화되어 즉시 2~4 nm에 도달하고 시간이 지나면서 5~10 nm까지 계속 성장합니다. 그 필름은 성가신 얇은 층이 아닙니다. 8.8eV-a 유전체에 가까운 밴드 갭을 갖는 Al₂O₃입니다. 초음파 용접의 경우 산화물은 고체 결합을 허용하는 원자 규모 접촉을 방지합니다. 레이저 용접의 경우 키홀을 시작하는 데 필요한 임계 에너지를 높이고 탭 전체에서 필름 두께가 변동함에 따라 가변 흡수를 도입합니다.
니켈 탭과 구리 탭은 다르게 작동하지만 더 나은 것은 아닙니다. 산화니켈과 산화구리는 더 얇지만 여전히 저항성이 있으며, 산화구리 성장은 습도와 온도에 따라 가속화됩니다. 대기 제어 없이 보관된 압연 동박은 로트의 첫 번째 릴과 마지막 릴 사이의 용접 동작을 눈에 띄게 변화시킬 만큼 두꺼운 산화물 층을 가질 수 있습니다.
코팅 잔여물을 추가하면 그림이 악화됩니다. 음극 슬러리 오버 스프레이는 코팅 중에 탭 영역으로 이동합니다. 절단 후 탄소 및 결합제 잔류물이 양극 탭에 남아 있습니다. 기계적 브러싱은 이러한 잔여물을 제거하기보다는 얼룩지게 하며, 얼룩진 층은 용접 아래에서 알려지지 않은 구성의 장벽이 됩니다.
접합 품질을 결정하는 세 가지 표면 조건:
- 산화물 두께- 금속 간 접촉이 가능한지 여부를 결정합니다.
- 잔류물 및 오염- 용접 너겟이 금속으로 형성되는지 아니면 금속과 유기 잔해의 복합물로 형성되는지를 결정합니다.
- 표면 지형- 접촉 면적을 결정하고 초음파 용접에서 에너지가 인터페이스에 결합되는 방식을 결정합니다.
이들 중 어느 것도 용접 파워를 조정하여 해결되지 않습니다. 세 가지 모두 청소로 해결됩니다.
레이저 클리닝으로 제거되는 항목 및 자체 제한되는 이유
1064nm의 펄스 광섬유 레이저는 대략 1~10J/cm²의 유속에서 10~200ns 펄스의 에너지를 전달합니다. 산화물 층은 밑에 있는 금속보다 훨씬 더 강하게 펄스를 흡수하여 기화됩니다. 표면이 금속화되면 반사율이 급격하게 상승하고 남은 펄스 에너지는 흡수되기보다는 크게 반사됩니다. 따라서 프로세스는 자체 제한적입니다. 산화물을 제거하고 금속에서 멈추기 때문에 적절하게 매개변수화된 시스템이 8μm 포일을 얇게 만들지 못하는 이유입니다.
이러한 자체 제한 동작은 레이저 세척이 고속 라인의 화학적 산 세척을 대체하는 이유입니다. 이 공정은 건조하고 헹굼이나 건조가 필요하지 않으며 산성 폐기물을 생성하지 않으며 웹 또는 탭 전송 속도로 인라인으로 실행할 수 있습니다.
제거 대상:
| 오염물질 | 일반적인 두께 | 제거 메커니즘 |
|---|---|---|
| 산화알루미늄(Al₂O₃) | 2~10nm | 금속에서 절제 기화, 자기 제한 |
| 니켈/산화구리 | 1~5nm | 절제 기화 |
| 음극 코팅 오버 스프레이 | 1–20 µm | 제거; 산화물보다 높은 플루언스 |
| 양극 탭의 탄소/결합제 잔류물 | 0.5–5 µm | 제거 |
| 롤링 윤활유 / 핸들링 오일 | 분자필름 | 증발 및 변위 |
절제에 의해 생성된 기둥은 청소 헤드에서 추출되어야 합니다. 새로 청소한 탭에 금속 및 탄소 입자가 재응축하면 단계의 목적이 무산되고 셀 표면의 느슨한 전도성 입자는 단락 위험이 있습니다. 추출은 액세서리가 아닌 청소 스테이션 사양의 일부입니다.
A 대 B: 기계, 화학 및 레이저 표면 준비
용접 전에 탭 표면을 준비하는 데는 네 가지 방법이 사용됩니다. 그것들은 상호 교환이 불가능하며, 비교를 통해 레이저가 대용량 라인에서 다른 것을 대체한 이유를 설명합니다.
| 요인 | 기계적 브러싱 | 화학적 산세 | 플라즈마 청소 | 레이저 청소 |
|---|---|---|---|---|
| 산화물 제거 | 부분적, 불균일 | 완벽한 | Al₂O₃ 부분 | 완전하다, 선택적이다 |
| 소모품 | 브러쉬, 연마재 | 산, 헹굼수 | 공정가스 | 없음(커버 유리만 해당) |
| 인라인 호환성 | 보통의 | 저습식 공정 | 보통의 | 고건성, 라인 속도 |
| 기판 손상 위험 | 가공 경화, 박박화 | 화학적 성질이 표류하는 경우 에칭 공격 | 낮은 | 낮음, 자체 제한 |
| 남겨진 잔여물 | 내장된 연마재, 번진 코팅 | 헹굼 실패 시 잔여 산 | 없음 | 절제 및 추출 |
| 폐기물 흐름 | 브러쉬 잔해 | 산성폐기물, 헹굼수 | 최소 | 필터 미디어 |
| 교대조 전반에 걸친 반복성 | 브러시 마모로 성능 저하 | 목욕 연령에 따른 표류 | 안정적인 | 안정적인 |
기계적 브러싱은 소량 작업과 느슨한 잔해물만 제거해야 하는 탭에 적합합니다. 화학적 산세척은 최상의 표면을 생성하지만 건식 인라인 공정에는 적합하지 않으며 폐기물 처리 비용이 발생합니다. 플라즈마는 유기 오염을 잘 처리하지만 산화알루미늄은 천천히 제거합니다. 레이저 클리닝은 완전한 산화물 제거, 건식 인라인 작업, 교대 시 소모품 구동 드리프트 없음을 결합한 유일한 방법입니다.
엔지니어링 통찰력:
청소-용접 간격은 일정 세부 사항이 아닌 프로세스 매개변수입니다. 산화알루미늄은 공기에 노출된 후 몇 분 안에 약 1~2nm로 다시 성장하며, 청소 후 10분 후에 측정된 접합 강도는 청소 후 4시간 동안 측정된 접합 강도가 아닙니다. 생산 라인에서 청소 헤드는 이동 시간을 지정하고 제어하면서 동일한 스테이션이나 인접한 스테이션 내 용접기의 업스트림에 위치해야 합니다. 버퍼 매거진에 의해 용접부와 분리된 세척 단계는 매거진에서 이점이 감소하는 세척 단계입니다.
당김 테스트 수치: 이전과 이후
사례를 설명하는 가장 명확한 방법은 측정값을 설명하는 것입니다. 아래 표는 청소 상태 전반에 걸쳐 알루미늄 버스바에 용접된 0.2mm 알루미늄 탭과 강철 캔에 용접된 니켈 탭에 대한 일반적인 자격 값을 제공합니다. 이는 보편 상수가 아닌 적격성 평가 실행에서 관찰된 공정 목표입니다. 각 재료 스택과 용접 방법에는 고유한 창이 있습니다.
| 관절 | 표면 상태 | 인장강도(N) | 스캐터(CV) | 접합 저항(mΩ) |
|---|---|---|---|---|
| Al 탭에서 Al 버스바까지 | 받은 대로 공기에 노출됨 | 25–40 | 25–40% | 0.8–1.5 |
| Al 탭에서 Al 버스바까지 | 기계적으로 브러시 처리됨 | 35–50 | 15–25% | 0.4–0.8 |
| Al 탭에서 Al 버스바까지 | 60초 이내에 레이저 세척, 용접 | 45–65 | <10% | 0.2–0.4 |
| Ni 탭에서 강철 캔으로 | 받은대로 | 45–60 | 15–25% | 0.3–0.6 |
| Ni 탭에서 강철 캔으로 | 60초 이내에 레이저 세척, 용접 | 55–70 | <10% | 0.15–0.3 |
근력 향상 외에 두 가지 숫자에 주목할 가치가 있습니다. 첫 번째는 분산입니다. 변동 계수가 25%를 초과하면 프로세스가 제어되지 않는다는 의미이며, 평균에 대해 작성된 사양은 양호한 부품의 의미 있는 부분을 거부하고 불량 부품의 의미 있는 부분을 통과시킵니다. CV를 10% 미만으로 낮추는 것은 사양을 의미 있게 만들기 때문에 평균 강도의 증가보다 라인에 더 많은 가치가 있는 경우가 많습니다.
두 번째는 관절 저항입니다. 연속 100A를 소비하는 50Ah 셀에서 탭 조인트의 추가 1mΩ은 소량으로 10W를 소비하고 단자 전압에서 100mV 떨어집니다. 그 열은 핫스팟에 대한 최악의 위치인 현재 수집 지점에 있습니다.
레이저 절단: 버(Burr), 드로스(Dross) 및 절대 마모되지 않는 도구
탭 형상은 절단에 의해 생성되며, 절단된 가장자리는 탭 측면의 용접 표면과 셀 내부의 분리대를 향하는 표면입니다. 기계적 다이 커팅은 날카롭게 하는 간격에 걸쳐 자라는 버를 생성합니다. 약 10~15μm 이상의 버는 분리막에 구멍이 생길 위험이 있고 일관되지 않은 용접 인터페이스를 만듭니다.
펄스 파이버 레이저 절단은 마모될 가장자리가 없기 때문에 도구 수명 전반에 걸쳐 버 높이를 임계값 아래로 유지합니다. 품질을 좌우하는 프로세스 매개변수는 펄스 지속 시간, 반복 속도, 초점 위치, 보조 가스 및 절단 경로 속도 등 세척과 동일한 계열입니다. 절단면 아래쪽의 불순물은 초점 위치와 가스 압력에 의해 제어됩니다. 열 영향 구역 폭은 일반적으로 얇은 포일에서 20~50μm 범위로 유지됩니다.
셀 조립의 실질적인 이점은 모서리 품질 뿐만이 아닙니다. 레이저 절단 헤드는 새 경로 파일을 로드하여 형상을 변경합니다. 다이 변경에는 몇 시간이 걸리고 새로운 다이가 필요합니다. 탭 모양이 권선 공정과 통합된 원통형 셀의 경우 절단, 세척 및 권선을 하나의 기계에 결합하면 두 가지 처리 단계가 제거되고 세척과 용접 사이의 모든 처리 단계는 산화물 재성장 간격입니다.
A 통합 탭 형성 및 전극 권선을 위한 원통형 셀 레이저 절단 및 권선 기계컷과 바람을 하나의 연속적인 흐름으로 수행합니다. 이것이 검사 속도가 아닌 생산 속도에서 깨끗하고 일관된 탭 가장자리를 만들고 새로 절단된 탭이 노출되는 수동 전송을 제거합니다.
청소를 라인 옆이 아닌 라인에 통합
별도의 배치 스테이션으로 설치된 세척 기계는 표면 문제를 해결하고 일정 문제를 발생시킵니다. 청소와 용접 사이에 매분마다 이점이 줄어들고, 추가 처리로 인해 새로운 오염이 발생하며, 스테이션에서는 자동화로 제거해야 했던 노동력이 추가됩니다.
통합 논리는 간단합니다.
- 용접 전 마지막 스테이션에서 청소, 동일한 전송 경로에서 간격이 지정되고 모니터링됩니다.
- 머리 부분의 깃털을 추출하세요., 일반 환기보다는 절제 부하에 맞는 여과 크기를 사용합니다.
- 결과 모니터링, 조용히 전원이 꺼지거나 초점이 흐트러지는 청소 시스템은 깨끗해 보이고 산화물로 덮인 표면처럼 용접되는 표면을 생성하기 때문입니다. 공정의 반사율 또는 플라즈마 방출 피드백은 라인을 중단하지 않고도 검사를 제공합니다.
- 클리닝 헤드를 용접 방법에 맞추세요: 초음파 탭 용접과 레이저 탭 용접은 서로 다른 표면 사양을 요구하며, 한 시스템에 지정된 시스템이 자동으로 다른 시스템을 지원하지 않습니다.
여기서는 단일 기계보다 프로세스 순서가 더 중요합니다. 청소, 절단, 용접은 하나의 연속적인 표면 기록이며, 이러한 단계를 거쳐 탭을 운반하는 장비는 하나의 범위로 지정되어야 합니다. TOB 뉴에너지는전극 탭과 집전체의 초음파 및 레이저 접합을 위한 배터리 탭 용접기 스테이션업스트림 절단 및 청소 위치가 동일한 라인 레이아웃의 일부로 정의되므로 준비와 결합 사이의 간격이 시운전 중에 발견되는 것이 아니라 설계됩니다.
개발 중에 변경되는 전극 프로파일의 경우 노칭 단계에도 동일한 논리가 적용됩니다.도구가 필요 없는 프로파일 변경 및 버(Burr) 없는 가장자리를 갖춘 레이저 전극 다이 커팅코팅과 용접 사이의 표면 이력을 방해하는 다이 비용과 다이 변경 가동 중지 시간을 제거합니다.
FAQ: 탭 레이저 클리닝 및 용접 강도
레이저 청소가 실제로 탭 용접 인장 강도를 증가시키나요?
예. 0.2mm 알루미늄 탭의 일반적인 검증 데이터는 인장 강도가 세척 후 25~40N에서 45~65N으로 이동하고 분산이 10% CV 미만으로 떨어지는 것을 보여줍니다.
산화알루미늄은 청소 후 얼마나 빨리 재생됩니까?
주변 공기에서는 몇 분 안에 대략 1~2nm가 되고, 몇 시간이 지나면 5~10nm로 계속됩니다. 이것이 세척이 별도의 배치 단계가 아닌 용접 직전 인라인으로 이루어지는 이유입니다.
레이저 청소로 인해 얇은 탭 포일이 손상될 수 있나요?
올바르게 매개변수화된 경우에는 그렇지 않습니다. 이 과정은 자체적으로 제한됩니다. 일단 산화물이 제거되면 금속 반사율은 올라가고 펄스 흡수는 급격히 떨어집니다. 잘못된 플루언스나 초점으로 인해 표면이 표시될 수 있으므로 실제 포일 두께에 대한 매개변수 검증이 필요합니다.
탭에 다이 커팅 대신 레이저 커팅을 사용하는 이유는 무엇입니까?
레이저 절단은 공구 마모 없이 버를 10~15μm 미만으로 유지하고 새 경로 파일을 로드하여 형상을 변경합니다. 다이 커팅 버는 샤프닝 간격에 걸쳐 성장하며 모든 새로운 탭 모양에는 새로운 다이가 필요합니다.
세척 단계가 용접 모니터링의 필요성을 대체합니까?
아니요. 정리하면 하나의 변수가 제거됩니다. 용접을 확인하지는 않습니다. 동축 용접 모니터링과 당김 테스트 샘플링은 여전히 필요하며, 세척 프로세스 피드백(반사 또는 플라즈마 방출)은 세척 단계 자체가 여전히 작동하고 있음을 확인하는 것입니다.
Surface 변수를 닫을 준비가 되셨나요?
약한 탭 용접은 일반적으로 용접 의상을 입은 표면 문제입니다. 하나의 인라인 시퀀스로 엔지니어링된 세척, 절단 및 용접은 산화물 재성장 간격, 추가 처리 및 이들 사이의 매개변수 추측을 제거합니다. TOB New Energy는 직접 소스 턴키 제조업체로서 원통형, 각형 및 파우치 셀 조립 라인을 위한 탭 용접 스테이션, 레이저 절단 및 권선 기계, 레이저 다이 절단 장비를 공급합니다. 탭 스택, 호일 두께, 용접 방법을 통해 전송합니다.탭용접 및 세척공정 검토요청스테이션 레이아웃 및 공장 직접 견적을 받아보세요.
TOB New Energy 공정 엔지니어링 그룹이 원통형, 각형 및 파우치 조립 라인 전반에 걸친 탭 준비 및 용접 통합 작업에서 편집한 기술 참조입니다. 특정 탭 스택에 대한 인장 강도 및 저항 인증을 받으려면 LinkedIn에서 Dany Huang 박사에게 문의하거나 Xiamen 응용 실험실에 용접 쿠폰을 제출하세요.
