Machine de soudage de batteries dans la fabrication de batteries au lithium : équipement, processus et applications

Par Neil Zhao

Dans la fabrication des batteries, un joint de soudure de quelques millimètres seulement peut déterminer si une cellule fournira une puissance constante pendant une décennie ou si sa résistance interne évoluera en quelques mois. C'est l'un des plus petits éléments physiques d'une ligne de production, et pourtant l'une des principales sources de risques de qualité à long terme. Le soudage des batteries s'effectue à plusieurs endroits au sein d'une cellule : connexions entre les languettes et le collecteur, jonctions des bornes, points d'étanchéité du boîtier. Chaque emplacement présente des combinaisons de matériaux, des contraintes géométriques et des conséquences de défaillance différentes. La compréhension des technologies de soudage disponibles, de la sensibilité de leurs paramètres et de leurs méthodes de vérification de la qualité est essentielle à la fiabilité des batteries. Les fournisseurs d'équipements tels queTOB NOUVELLE ÉNERGIELes entreprises qui fournissent des systèmes de soudage par ultrasons et laser dans le cadre de solutions de production intégrées rencontrent ces questions à chaque étape de leur relation client, des laboratoires de R&D aux usines de production de plusieurs gigawattheures.

Aspect 1 : Où la soudure apparaît dans une cellule de batterie

Il existe quatre zones de soudage distinctes au sein d'une cellule lithium-ion, chacune présentant des exigences et des modes de défaillance différents.

Des traces de soudure apparaissent dans une cellule de batterie.

Le soudage des languettes aux collecteurs de courant consiste à assembler la languette positive (en aluminium) au collecteur de courant en aluminium et la languette négative (en nickel ou en cuivre nickelé) au collecteur de courant en cuivre. Cette jonction doit présenter une résistance de contact extrêmement faible ; toute résistance excessive engendre un échauffement localisé lors des cycles de charge et de décharge. Elle doit posséder une résistance mécanique suffisante pour supporter les manipulations ultérieures. Enfin, elle doit être réalisée sans endommager le revêtement du matériau actif adjacent à la zone de soudure.

Soudure de languette de batterie automobile (languette sur collecteur de courant)

Le soudage des languettes aux bornes relie les languettes des électrodes aux bornes externes de la cellule, assurant ainsi l'interface électrique entre les composants internes et le monde extérieur. Plusieurs couches de feuilles métalliques (généralement de 10 à 40 couches de cuivre ou d'aluminium) doivent être assemblées en une seule opération de soudage. Un soudage à froid intercouche (où les feuilles internes ne sont pas complètement liées) produit une cellule qui réussit les tests électriques initiaux, mais dont la résistance augmente au cours des cycles de charge/décharge à mesure que les couches non liées se séparent.

Soudage des languettes de la batterie (soudage languette-borne)

Les soudures d'étanchéité du boîtier fixent la plaque supérieure au boîtier en aluminium des cellules prismatiques, ou le couvercle au boîtier en acier des cellules cylindriques. L'intégrité de ces soudures détermine directement la durée de vie de la cellule. Une microfuite – un pore de soudure invisible à l'œil nu – permet à l'humidité de pénétrer dans la cellule pendant plusieurs mois de fonctionnement. Cette humidité réagit avec le LiPF₆ pour former du HF, qui dégrade la cathode, dissout les métaux de transition et déstabilise l'interface électrolyte solide (SEI). La cellule passe le contrôle qualité en usine. Elle tombe en panne six à douze mois plus tard sur le terrain.

Cellule prismatiquecétanchéité de l'ase(soudage laser)

Le soudage des barres omnibus au niveau des modules et des packs permet de connecter plusieurs cellules en série et en parallèle via des barres omnibus en aluminium ou en cuivre. À l'échelle d'un pack, on compte des dizaines de milliers de soudures par jour. Une seule soudure défectueuse constitue un goulot d'étranglement pour la production. Une seule soudure froide non détectée entraîne une panne sur le terrain.

Aspect 2 : Trois technologies de soudage

Trois technologies de soudage dominent la fabrication des batteries. Chacune occupe une position différente sur le triangle précision-rapidité-coût.

Le soudage par ultrasons assemble les métaux à l'état solide.Fournitures TOB NEW ENERGYéquipement de soudage par ultrasons Pour les applications de languettes de batterie, où l'assemblage multicouche par feuille est la norme, une sonotrode pressée contre la pièce vibre à une fréquence de 20 à 40 kilohertz. Le frottement à l'interface génère de la chaleur et une déformation plastique, créant une liaison métallurgique sans fusion des pièces. Aucun métal d'apport, aucun gaz de protection, et aucun risque de projection de métal en fusion sur les composants adjacents.

Ultrasoniquesoudeuse de languettes de batterie

Le principal avantage du soudage par ultrasons dans la fabrication de batteries réside dans sa capacité à assembler des métaux dissemblables — aluminium et cuivre, aluminium et nickel — et à réaliser des liaisons simultanées à travers plusieurs couches de feuilles métalliques. Les vibrations de la sonotrode se propagent à travers l'ensemble de l'empilement, créant ainsi des liaisons entre chaque couche. De ce fait, le soudage par ultrasons est la méthode de choix pour les jonctions entre les languettes et les collecteurs de courant, où 10 à 40 couches de feuilles métalliques doivent être assemblées en une seule opération.

La principale limitation réside dans la sensibilité à l'état de surface, une variable que l'équipe d'application de soudage de TOB maîtrise grâce à des protocoles de préparation de surface avant soudage et à une surveillance en temps réel du déplacement de la sonotrode. Les couches d'oxyde présentes sur les surfaces d'aluminium et de cuivre absorbent l'énergie ultrasonore sans former de liaisons. La contamination (huile, poussière, électrolyte résiduel) dégrade la résistance de la liaison de façon imprévisible. Une surface parfaitement soudable le matin peut se détériorer l'après-midi, l'humidité ambiante modifiant la vitesse de croissance de l'oxyde.

Le soudage laser utilise un faisceau focalisé (généralement un laser à fibre ou à diode d'environ 1064 nanomètres) pour créer un bain de fusion qui se solidifie pour former une soudure. Sans contact, ce procédé offre une densité d'énergie élevée et une pénétration profonde avec un apport de chaleur minimal hors de la zone de soudure. Le faisceau peut être acheminé par fibre optique jusqu'à des espaces confinés inaccessibles aux têtes de soudage mécaniques.

Le soudage laser domine les applications de scellage de boîtiers.TOB NEW ENERGY'ssystèmes de soudage laser Ce procédé remplit précisément cette fonction : le soudage continu à grande vitesse pour l'étanchéité des boîtiers de cellules prismatiques et cylindriques. La vitesse de soudage élevée (plusieurs mètres par minute de cordon continu) répond aux exigences de cadence de production des cellules à l'échelle industrielle. La zone affectée thermiquement réduite minimise les dommages thermiques à l'ensemble d'électrodes situé à quelques millimètres de la soudure. Cependant, le soudage laser de l'aluminium présente un défi particulier : la réflectivité élevée de l'aluminium à 1064 nanomètres rend le couplage laser initial inefficace. Une fois le bain de fusion formé, l'absorption s'améliore. La transition entre la réflexion et l'absorption doit être gérée par une montée en puissance progressive au début du soudage.

machine de soudage laser à cellule prismatique

Le soudage par résistance consiste à faire passer un courant électrique à travers les pièces à souder. L'effet Joule à l'interface de contact crée un noyau de métal en fusion qui se solidifie sous pression. Ce procédé présente un faible coût d'équipement, une technologie éprouvée et une mise en œuvre simple. Le soudage par résistance est encore utilisé dans les cellules électroniques grand public, où les languettes en nickel sont soudées à des boîtiers en acier. Dans les secteurs de l'automobile et des cellules de stockage d'énergie haut de gamme, il a été largement supplanté par les procédés ultrasoniques et laser en raison de son apport de chaleur plus important, d'une qualité de soudure moins constante due à l'usure des électrodes et de ses limites avec les métaux dissemblables.

Aspect 3 : Les paramètres qui déterminent la qualité de la soudure

En soudage par ultrasons, trois paramètres interagissent de manière non linéaire. Les systèmes de soudage par ultrasons de TOB contrôlent ces paramètres indépendamment, permettant ainsi aux ingénieurs de procédés d'explorer l'ensemble de la plage de fonctionnement au lieu de se limiter à un seul point. Une amplitude élevée, une faible pression et une durée courte peuvent fournir la même énergie qu'une faible amplitude, une pression élevée et une durée longue, mais la qualité de la soudure obtenue, notamment la résistance de la liaison intercouche et l'amincissement du film, sera totalement différente. C'est pourquoi le développement d'un procédé de soudage par ultrasons requiert des méthodes de conception expérimentale statistiques, et non un réglage univarié. Modifier un paramètre, réoptimiser les autres, et recommencer.

En soudage laser pour le scellage de boîtiers, la plage de paramètres de procédé est étroite et sa définition exige bien plus qu'une simple fiche technique. Les systèmes de soudage laser de TOB NEW ENERGY sont livrés avec des cartographies des paramètres de procédé élaborées par le laboratoire de soudage interne de l'entreprise, et non à partir des recommandations génériques du fabricant de la source laser. La puissance du laser et la vitesse de soudage déterminent conjointement l'apport de chaleur par unité de longueur. Une vitesse trop élevée entraîne une pénétration incomplète, une soudure discontinue et un risque de fuite. Une vitesse trop faible provoque un apport de chaleur excessif, une déformation du boîtier et des dommages thermiques aux composants internes situés à quelques millimètres de la soudure. L'écart entre une vitesse trop élevée et une vitesse trop faible peut atteindre 10 à 15 % du paramètre nominal. La position du foyer par rapport à la surface de la pièce modifie la section transversale de la soudure, la faisant passer d'une soudure superficielle et large à une soudure profonde et étroite. Un décalage du foyer de 0,2 millimètre sur une paroi de boîtier de 0,5 millimètre d'épaisseur peut faire la différence entre une pénétration complète et une soudure superficielle acceptable à l'inspection visuelle, mais sans intégrité structurelle.

Les conséquences d'un écart de paramètre sont loin d'être négligeables. Une soudure ultrasonique à froid entre la languette et le collecteur produit une cellule dont la résistance interne est supérieure de 20 % aux spécifications. Malgré sa conformité aux normes de capacité, la cellule est intégrée à un pack batterie et génère une chaleur excessive à chaque cycle de charge. Une soudure laser de scellement du boîtier, avec une pénétration intermittente, produit une cellule qui réussit le test d'étanchéité à l'hélium en usine (le taux de fuite étant inférieur au seuil de test), mais qui ouvre une voie d'infiltration d'humidité, dégradant ainsi la cellule au fil des mois d'utilisation. La qualité de la soudure n'est pas vérifiée lors de l'inspection finale ; elle est déterminée au moment même où le joint est réalisé.

Aspect 4 : Vérification de la qualité

Les essais destructifs permettent la qualification des procédés et leur vérification périodique.mesures de test de pelageLa force nécessaire pour séparer les couches soudées est l'essai mécanique standard pour les soudures par ultrasons. L'essai de traction consiste à soumettre l'assemblage à rupture et à enregistrer le mode de rupture : une rupture dans le matériau de base est acceptable ; une rupture dans la soudure ne l'est pas. L'analyse métallographique en coupe transversale révèle la structure interne (profondeur de pénétration, porosité, fissures, adhérence interfaciale) invisible à l'œil nu.

Les essais non destructifs permettent le contrôle en ligne de production. L'inspection visuelle détecte les défauts de surface (contre-coupes, projections, joints incomplets) grâce à un système de vision industrielle automatisé fonctionnant à la cadence de la chaîne.test de fuite d'hélium Vérifie l'étanchéité du boîtier : un taux de fuite inférieur à 1 × 10⁻⁸ Pa·m³/s est la norme automobile. La mesure de la résistance contrôle la qualité électrique de la soudure des languettes.

Le plus haut niveau d'assurance qualité est la surveillance en temps réel, qui permet de détecter les anomalies de soudure dès leur apparition, et non après. Les systèmes de soudage par ultrasons surveillent le déplacement de la sonotrode à chaque cycle de soudage. Un écart par rapport à la courbe de déplacement normale (la sonotrode s'enfonçant trop vite ou trop lentement par rapport à l'énergie fournie) indique une modification de l'état de surface ou une variation de l'empilement des feuilles métalliques, ce qui entraînera un joint non conforme. Les systèmes de soudage laser surveillent la lumière rétrodiffusée ou l'émission optique du bain de fusion. Un pic dans le signal indique des projections. Une chute indique un défaut dans le cordon de soudure. Le système signale le joint défectueux avant que la cellule ne passe à la station suivante.

Aspect 5 : Sélection des équipements et évaluation des fournisseurs

Le choix d'une machine à souder à batterie commence par trois questions.

« Cet équipement a-t-il été testé avec mes matériaux et leur épaisseur ? » La même soudeuse à ultrasons qui assemble parfaitement 20 couches de feuille de cuivre de 12 microns peut produire des liaisons irrégulières avec 30 couches de feuille de 9 microns. La même soudeuse laser qui scelle des parois de canettes en aluminium de 0,5 millimètre à 3 mètres par minute peut nécessiter des paramètres totalement différents pour des parois de 0,3 millimètre. TOB NEW ENERGY fournit des échantillons de soudure et des données de processus issues d'essais de matériaux spécifiques au client avant même de définir les spécifications de l'équipement – ​​ce type d'ingénierie avant-vente qui distingue un fabricant d'équipements de soudage d'un simple vendeur sur catalogue. Un fournisseur qui se contente de fournir la fiche technique de l'équipement ne le fait pas.

« Quelle est la plage de tolérance et que se passe-t-il lorsque les matériaux entrants varient ? » Les matériaux de production ne sont pas identiques aux échantillons de qualification. L’épaisseur de la feuille de cuivre varie dans sa plage de tolérance. Les dimensions des canettes en aluminium fluctuent légèrement d’un lot de production à l’autre. L’équipement de soudage doit pouvoir s’adapter à cette variation sans produire de joints non conformes. Un fournisseur capable de quantifier la plage de tolérance – l’intervalle de conditions des matériaux dans lequel la qualité de la soudure reste conforme aux spécifications – fournit des données d’ingénierie. Celui qui ne le peut pas laisse le client découvrir cette plage sur la chaîne de production.

Quels sont les besoins de maintenance à long terme ? Les sonotrodes ultrasoniques s’usent. Les optiques laser nécessitent un nettoyage et un réétalonnage. Les électrodes de soudage par résistance se déforment. La disponibilité des pièces détachées, le service de reconditionnement des sonotrodes et le programme de maintenance préventive du fournisseur déterminent le TRS (Taux de Rendement Synthétique) de l’équipement tout au long de sa durée de vie. Une machine à souder à batterie dont le fabricant est incapable de fournir des sonotrodes de remplacement sous une semaine représente un risque pour la production. L’infrastructure après-vente de TOB NEW ENERGY comprend le reconditionnement des sonotrodes et un stock de pièces détachées, précisément pour éviter ce type d’arrêt de production.

Le portefeuille d'équipements de soudage de TOB NEW ENERGY est soutenu par deux brevets liés à l'étanchéité : un dispositif de scellage de production de batteries (CN202122096808) traitant de la fiabilité du scellage du bouchon au boîtier, et une machine de scellage avec des dispositifs de scellage interchangeables (CN202122023872) permettant un changement de format rapide — le type d'ingénierie de flexibilité de production qui détermine si une station de soudage prend en charge un format de cellule ou une famille de produits entière.

Aspect 6 : La qualité de la soudure n’est pas contrôlée à l’intérieur du joint.

Le test d'étanchéité à l'hélium le plus rigoureux détecte les fuites existantes. Il ne peut pas colmater une fuite causée par une soudure laser instable. Le système de surveillance des déplacements de sonotrodes le plus sophistiqué détecte une soudure défectueuse après sa réalisation, ce qui permet de mettre la cellule en quarantaine plutôt que de la réparer.

La qualité d'un joint soudé dépend de la stabilité du procédé de soudage : la constance de l'apport d'énergie, la maîtrise de l'interface des matériaux et le maintien de la précision de l'équipement. Il ne s'agit pas de variables d'inspection, mais de variables de procédé. Un fournisseur comme TOB NEW ENERGY, dont la technologie de soudage repose sur un développement de procédés interne et des brevets vérifiables publiquement, incarne pleinement ce procédé. Un fournisseur qui comprend cette distinction offre bien plus que du matériel.

Résumé sur les machines de soudage de batteries : Le soudage dans la fabrication des batteries lithium-ion intervient à quatre points critiques : la connexion entre la languette et le collecteur, entre la languette et la borne, le scellage du boîtier et les connexions des barres omnibus. Chaque point présente des combinaisons de matériaux spécifiques et des conséquences de défaillance distinctes. Trois technologies prédominent : le soudage par ultrasons pour l’assemblage multicouche de métaux dissemblables, le soudage laser pour le scellage rapide du boîtier et le soudage par résistance pour les cellules grand public économiques. La qualité de la soudure est déterminée dès sa source par la maîtrise des paramètres de procédé : interactions amplitude-pression-temps des ultrasons, compromis puissance-vitesse-focalisation du laser et plages de paramètres étroites caractéristiques du soudage des boîtiers de batteries à parois minces. La vérification de la qualité repose sur des méthodes destructives pour la qualification du procédé, des méthodes non destructives pour le contrôle de la production et une surveillance en temps réel pour la prévention des défauts. Le système de contrôle qualité le plus efficace intègre ces trois aspects, car la qualité de la soudure ne se détecte pas lors de l’inspection, mais se détermine au moment précis de la réalisation de l’assemblage.

Neil Zhao — Directeur technique, Xiamen TOB New Energy Technology Co., Ltd.