能源危機和全球環境的惡化正在世界範圍內(nei) 引起廣泛的關(guan) 注。汽車對化石燃料的持續依賴，幾乎消耗掉每年化石燃料產(chan) 量的45%，而這已經成為(wei) 全球變暖的主要原因之一。降低對進口原油的需求已經被廣泛認為(wei) 是一種更快、更清潔和更廉價(jia) 地實現國家能源安全的方法。

     近來，基於(yu) 電池的汽油和柴油混合動力機車已經在全球市場快速擴張，主要原因是它在相應功率和行駛範圍內(nei) 實現了燃料的高經濟性和低排放，同時具備傳(chuan) 統汽油和柴油動力車輛的便利性。根據波士頓谘詢公司的一項報道，2020年大約1400萬(wan) 輛電氣和混合動力汽車將被售出，最大的四個(ge) 市場分別是西歐、北美、日本和中國，而這一數字在2008年僅(jin) 為(wei) 48萬(wan) 輛。

混合動力車（HEV）、插電型混合動力車（PHEV）和電動車（EV）等不同類型的係統目前分別已經進入開發階段或進入市場。對於(yu) 今天的混合動力車（如豐(feng) 田的普瑞斯）來說，電動馬達所起的作用主要是在頻繁的停車啟動期間幫助車輛加速，而大多數時間仍然使用燃油發動機提供動能。這是由於(yu) 電池容量小，因此受電力驅動所行駛的距離也有限。與(yu) 之相比，PHEV車輛擁有更為(wei) 強大的電池組，能支持車輛連續行駛數十英裏，並能連接電網進行充電。EV車能作為(wei) 百分百的電動車輛無排放行駛。它們(men) 的電池組能通過連接電網或通過小型的車載燃油發動機進行充電。單次充電後的行駛距離預計可達約40英裏，能滿足消費者日常的大部分交通需求。美國新一屆聯邦政府計劃在2012年前在國內(nei) 道路上實現100萬(wan) 輛電動車的目標。這意味著價(jia) 值約400億(yi) 美元的高端電池市場。

推動新型車輛混合動力係統的一大因素正是電池技術的顯著進步。今天，與(yu) 傳(chuan) 統的鉛酸電池或鎳鎘電池相比，用於(yu) HEV車輛的鎳氫電池具有更高的容量。未來的PHEV車輛需要更輕、更緊湊和更高容量的電池來實現其目標行駛距離。電池製造商有望分享來自政府先進車輛製造技術項目劃撥的旨在加快該技術商業(ye) 化的250億(yi) 美元資金。大部分開發者相信鋰電池能解決(jue) 麵臨(lin) 的挑戰，因為(wei) 它能存儲(chu) 多達三倍的電量，產(chan) 生兩(liang) 倍的功率，並且相對今天使用的鎳氫電池來說，鋰電池每升所存儲(chu) 的能量是鎳氫電池的兩(liang) 倍。根據Fuji Keizai公司的一篇報道，鋰電池材料市場將在2012年增加到69億(yi) 美元，相比2007年增加了89%。例如，用於(yu) 雪弗蘭(lan) Volt電動車的T形鋰電池組將於(yu) 2010年下半年上市，其包含了約220個(ge) 電池單元。除了可靠性和安全性之外，采用鋰電池技術的PHEV車輛若要獲得廣泛的市場認可，那麽(me) 電池成本則是一項重要因素。除了材料成本，電池價(jia) 格還受到大批量生產(chan) 中製造成本的顯著影響。

圖1、鋰電池的結構圖

大批量生產(chan)

不同材料焊接技術、全密封的封裝、本地化加工、高精度、一致的質量以及高生產(chan) 率等都是實現電池高效率製造的關(guan) 鍵因素。先進的激光係統結合創新的加工技術能為(wei) 大批量鋰電池生產(chan) 中的許多應用提供具有成本效率的方案。圖1顯示的是圓柱狀電池單元的基本組成部分。電極封裝由帶塗層的金屬薄片焊接成筒狀。該電極封裝被密封於(yu) 金屬罐中並通過電路和外界電極端相連。平板單元（見圖2）和堆棧式電極或棱形單元代表了目前所開發的鋰電池所具有的不同設計。

 

圖2、鋰聚合物電池（Fraunhofer矽技術研究所）
，(a)用於(yu) 鋰電池的電極（Fraunhofer矽
技術研究所），（b）光學顯微鏡下，(c)
電子顯微鏡下激光切割銅箔樣本的頂視圖。
上方所顯示的縫隙並不代表切口，樣本已
被完全切斷。
 

        在電極的生產(chan) 和電池單元及模塊的組裝中需要進行許多切割、焊接和密封的操作。潛在的激光應用包括：電極切割，將內(nei) 部元件焊接至電極和電極端部，以及電池外殼的密封。大多數金屬元件都由銅或鋁為(wei) 材料，這是因為(wei) 它們(men) 具有出色的導電性能。而這些高反光材料過去曾為(wei) 激光加工帶來挑戰，而如今通過尖端的高亮度激光技術已經能成功解決(jue) 問題，使得焊接同種和異種材料成為(wei) 可能。

電極切割

鋰電池電極由正反兩(liang) 麵均塗有活性材料的鋁和銅片作為(wei) 集流體(ti) 。根據單元的設計（圓柱或平板）和電極類型（陰極或陽極）的不同，金屬片的厚度從(cong) 0.01mm（無塗層）到0.2mm（有塗層）不等。模切法被用來加工平板電極，而旋轉刀切法則用來為(wei) 圓柱形單元切割出電極板條。兩(liang) 種方法都需要相對昂貴的刀具，一旦磨損過度會(hui) 帶來工藝不穩定和切割質量差的結果。尤其需要注意的是，一旦刀片和微米級的材料成型出現輕微的彎曲，將會(hui) 帶來短路和整套係統災難性的故障。因此，該方法需要進行頻繁的維護和刀具更換。

激光切割電極材料的技術已經被證實在高速加工中相對機械切割法在質量和成本上具有優(you) 勢。碟片和光纖激光器提供的高光束質量能實現更小的光斑尺寸和更高的功率密度，用以切割高度反光的銅和鋁片。使用單模式的光纖激光能實現工藝的優(you) 化，並得到不錯的切割質量。大於(yu) 10米/分的切割速度需要在相對較低的50W至200W範圍的功率實現。目前的一些工作成果顯示出無接觸加工的激光切割具備成為(wei) 傳(chuan) 統切割工藝強有力競爭(zheng) 對手的潛力，前者具備了無刀具磨損、高柔性以及切割質量一致等優(you) 點。

電池的組裝

鋰電池內(nei) 部的大部分電流傳(chuan) 導元件都由銅或鋁製成，它們(men) 必須同外部的電極端相連，以連接起一係列的單元。HEV的生命周期預計為(wei) 8~10年，因此必須使用非常可靠的連接工藝用於(yu) 連接內(nei) 部元件，並密封電池外殼。同類和不同類的金屬相連，必須與(yu) 外部電極端有電氣連接，同時這些連接必須具有良好的導電性以避免能量損耗。疊焊接頭因其在零件公差和配合上相對要求不是那麽(me) 嚴(yan) 格而常被采用。一般來說，鋁罐被用於(yu) 圓柱單元的外殼，對其進行密封加工是整個(ge) 單元組裝最後關(guan) 鍵步驟的一個(ge) 環節。
對於(yu) 激光器和工藝設計來說，激光焊接高反光的銅材料是非常難的，因為(wei) 高度非線性的激光束與(yu) 材料之間的作用使加工的過程非常捉襟見肘，且限製了重複精度。鍍鎳或在銅片表麵加上鎳層的方法是目前用來增強銅焊中能量吸收和提升工藝穩定性的一種方法。Fraunhofer 激光技術中心對用於(yu) 不同電池組裝應用的連續和脈衝(chong) 激光焊接工藝進行了調查，激光種類分為(wei) Nd:YAG、碟片和光纖激光器，功率範圍從(cong) 500W至數千瓦（見圖3）。這些激光器提供了所需的功率密度來建立穿透型焊接流程，並實現了具成本效率的大批量生產(chan) 所要求的高速焊接和短循環時間。

圖3、（a）焊接表麵；（b）使用功率2.1kW激
光以5m/min速度焊接兩(liang) 塊0.5mm厚的銅片（合金110）
，得到全穿透疊焊橫截麵；（c）焊接表麵；（d）#p#分頁標題#e#
使用僅(jin) 為(wei) 470W激光以1m/min速度將一塊鋁片
（合金3003，厚度0.55mm）和一塊銅片（合
金110，厚度0.6mm）焊接起來得到的橫截麵；
（e）采用Fraunhofer激光技術中心開發的高亮度
光纖耦合半導體(ti) 二極管激光器，對銅片進行焊接。

除此之外，不同類型表麵處理和塗層的效果也得到了評估。據觀察，如果加上一層薄石墨塗層，工藝穩定性、焊接速度和穿透深度都會(hui) 得到相當的提升。整個(ge) 焊接流程幾乎沒有出現飛濺的現象，焊點外形一致。近期，Fraunhofer激光技術中心在高亮度光纖耦合半導體(ti) 二極管激光器領域取得了進展，實現了僅(jin) 以250W功率在1m/min下成功焊接裸銅片（0.2mm厚）的成績。

新一代的激光焊接工藝同樣被開發用於(yu) 不同材料的焊接，如將鋁焊至銅或將銅焊至鋁。優(you) 化後的流程設計減少了變形和多種金屬間相的發生，避免了焊接處的脆化現象導致大小不一的裂縫。

脈衝(chong) Nd:YAG激光焊接可被應用於(yu) 點焊銅至鋁的應用（在邊焊設置下）。若要成功將鋁和銅在疊焊設置中焊接，可通過一台單模式光纖激光器實現。因為(wei) 材料屬性的不同，熔融區域在界麵處變化顯著。隻有激光束的核心部分穿透進入了銅片。盡管如此，連接點在拉伸剪切強度和疲勞測試中顯示了出色的強度和耐久度。（作者：Hans J. Herfurth ）

本文作者Hans J. Herfurth 是美國密歇根州Fraunhofer激光技術中心（）的副總監。