在鋰電池技術(shù)中，涉及到的超聲波金屬焊接（UMW）有三種：銅/鋁箔對極耳(foil to tab)，極耳對極耳(tab to tab)，極耳到匯流排(tab to bus-bar)。
Busbar材料通常是根據(jù)電流承載能力、焊接后接頭的機械、電和熱性能，以及材料的可獲得性和成本來確定。
超聲金屬焊接可焊接不同厚度的不同材料、高光高反射材料和導(dǎo)電材料，可對多層材料進(jìn)行焊接，且焊接中低熱量輸入更加安全。鋰電經(jīng)典產(chǎn)品通用汽車雪佛蘭Volt和日產(chǎn)LEAF的鋰電池組使用的就是超聲金屬焊接工藝進(jìn)行生產(chǎn)。
盡管超聲金屬焊接得到廣泛應(yīng)用，但是對焊接后接頭品質(zhì)的研究僅限于機械強度，缺乏對接頭電阻和熱性能的報告。
本文采用不同厚度的銅制和鋁制Busbar和Tab進(jìn)行焊接。從影響接頭品質(zhì)的三個關(guān)鍵點對焊接質(zhì)量進(jìn)行評估：機械強度，電阻和溫升。
1、試驗方案
1.1 Tab和Busbar材料
通常，軟包電芯(Pouch Cell)密封包裝上有兩個凸起金屬片(Terminal Tabs)，如圖1所示。一般來說，Tab材料是鍍鎳的銅(Cu鍍Ni)和鋁(AL)，分別作為負(fù)極和正極。這里選擇0.3mm的Cu[Ni]和AL極片進(jìn)行測試研究。Busbar材料和厚度的選擇取決于電池容量、載流量和熱管理系統(tǒng)。
銅和鋁是電氣設(shè)備上最常用的Busbar材料。IACS標(biāo)準(zhǔn)定義的銅和鋁性能如表1。盡管銅的電阻率、抗拉強度和導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)于鋁，但是如果考慮重量因素，相同質(zhì)量下鋁的導(dǎo)電率是銅的1.85倍。因此，對于有輕量化設(shè)計要求的電動汽車，鋁是更好的選擇。
圖1 軟包電芯結(jié)構(gòu)
表1 銅和鋁的性能比較。來源IACS: International Annealed Copper Standard
這里研究采用超聲波金屬焊接后的接頭性能表現(xiàn)：機械強度、電阻和溫升。Cu和AL的Busbar采用不同厚度。Tab和Busbar的材料和厚度信息見表2。一般情況下，鍍鎳的Cu作為Tab，這里鎳層厚度2µm。鍍鎳主要是用于耐腐蝕。Busbar和Tab尺寸都是100mmX25mm。
表2 Tab和Busbar材料信息
圖2 (a)超聲波金屬焊接設(shè)備；(b)Tab和Busbar尺寸和焊接區(qū)域；(c)T-peel撕力測試
1.2 Tab和Busbar超聲波金屬焊接
超聲波金屬焊接比較適用于將薄片焊接到厚金屬片上，因此這里將薄片Tab放置在厚片Busbar上方，如圖2(a)。這里采用20Khz的6.5KW的超聲波金屬焊接機，輸出振幅30-60µm。焊接區(qū)域10mm x 5mm。
影響焊接質(zhì)量的三個主要參數(shù)：焊接壓力，焊接時間，焊接振幅。焊接參數(shù)水平和組合見表3。觸發(fā)延遲0.2s，此時氣缸壓強轉(zhuǎn)化為焊接壓力。
表3 焊接參數(shù)水平和組合
1.3 機械強度測試設(shè)置
T-peel測試裝置見圖2(c)。拉力計量程5KN，測試速度20mm/min，以減少速度快速變化引起的沖擊。記錄測試中的峰值拉力。每組參數(shù)下撕力測試3個焊接樣件，取均值以表征該參數(shù)下的焊接強度。
根據(jù)載荷-位移曲線，可對焊接結(jié)果進(jìn)行分類：虛焊、良好、過焊。這三大類結(jié)果還可以通過焊接截面來進(jìn)行觀察。虛焊(Under-Weld)在焊縫界面上出現(xiàn)未連接的間隙；良好的焊接(Good-Weld)在焊縫界面上呈現(xiàn)均勻結(jié)合的結(jié)果；過焊(Over-Weld)在焊縫界面上出現(xiàn)了過度減薄并帶有片狀破碎區(qū)。
1.4 電阻和溫升性能測試設(shè)置
為了正確評估接頭處的電阻和溫升性能，使用T-Peel測試中焊接強度最大的參數(shù)和焊接樣件。測試裝置見圖3。Tab-to-Busbar焊接樣件兩頭用銅塊夾緊。兩側(cè)銅塊分別連接電源正負(fù)極和電壓傳感器。另外還有一個電壓測量裝置，測量點靠近焊接區(qū)域。這樣就能根據(jù)設(shè)定的電流大小，計算出焊接后的接頭電阻值。電阻產(chǎn)生熱量損失，使用焊縫正上方的熱成像儀就能記錄溫升結(jié)果。鋰軟包電芯經(jīng)過的電流高達(dá)300A。這里我們采用250A電流，通電測試時間60s，記錄溫升結(jié)果。同時，還可以計算出接頭的電阻隨溫升變化的結(jié)果。
圖3 Tab-to-Busbar接頭的電阻和溫升性能測試裝置。(a)測試原理圖；(b)測試裝置
2、測試結(jié)果和討論
2.1 接頭焊接強度
圖4 (a) 焊接強度與壓強關(guān)系曲線；(b)焊接強度與振幅關(guān)系曲線；(c)焊接強度與時間關(guān)系曲線；(d)電阻和溫升測試用焊接參數(shù)。
壓力對焊接強度的影響見圖4(a)，0.3mm鋁Tab和1mm鋁Busbar焊接，焊接壓強在1bar-3.5bar條件下，撕拉力大于200N。但應(yīng)注意當(dāng)焊接壓強大于2.5bar時，鋁Tab變形嚴(yán)重，因此不建議采用。在1.5bar條件下，焊接強度達(dá)到最大值，且外觀良好。
壓力對焊接強度的影響見圖4(a)，0.3mm銅Tab和1mm銅Busbar焊接，當(dāng)焊接壓強1.5bar時，焊接強度達(dá)到最大值。
振幅對焊接強度的影響見圖4(b)。在振幅30-35µm時接頭會產(chǎn)生虛焊，隨著振幅增大，焊接結(jié)果改善。在兩種組合下(鋁和銅)，振幅在50µm時撕拉力達(dá)到最大值。
焊接時間對焊接強度的影響見圖4(c)。對于銅制Tab-to-Busbar焊接，隨著焊接時間增加，撕拉力穩(wěn)定增加，在0.55s時撕拉力達(dá)到261N。對于鋁制Tab-to-Busbar焊接，隨著焊接時間增加，撕拉力輕微下降，這是因為AL制Busbar過度變形（過焊）。這里鋁制Tab-to-Busbar適合的焊接時間是0.35s，避免虛焊和過焊。
圖4(d)是用于后續(xù)電阻和溫升測試用的最佳焊接參數(shù)。
2.2 接頭電阻性能
接頭通過250A的恒定電流，再測量接頭兩側(cè)電壓，就可以計算出不同材料的Tab焊接后的電阻大小。通電流60秒時，我們發(fā)現(xiàn)由于熱量產(chǎn)生，電阻在緩慢增加，增加幅度取決于Busbar的材料和厚度。圖5是0.3mm的AL Tab焊接到AL或Cu的不同厚度的Busbar的電阻值。在恒定電流下，電阻的計算公式為=/，其中表示電阻率，表示長度，表示橫截面積。
圖5 電阻變化曲線，分別為 0.3mmAl的Tab焊接到(a)1.0mm AL Busbar (b)1.5mm AL Busbar (c)2.0mm AL Busbar (d)2.5mm AL Busbar (e)1.0mm Cu Busbar (f)1.5mm Cu Busbar (g)1.5mm Cu Busbar (h)是變化百分比。
在本次測試中，電壓傳感器夾持在固定位置，以保持測量長度不變。同樣，超聲焊接動作采用一樣的焊接參數(shù)，以避免焊接操作過程中的變化。另外，橫截面積取決于Busbar厚度，并且根據(jù)計算公式，電阻會隨著Busbar厚度增加而降低。
因此，我們可以觀察到：隨著Busbar厚度增加，起始電阻逐漸減小。這是由于當(dāng)電流大小保持不變時，電阻隨截面積的增加而減小。例如，0.3mmAL Tab與1.0mm, 1.5mm, 2.0mm和2.5mm的AL Busbar焊接后起始電阻分別為0.089mΩ, 0.087mΩ, 0.080mΩ和0.065mΩ；0.3mmAL Tab與1.0mm, 1.5mm和2.0mm的Cu Busbar焊接后起始電阻分別為0.084mΩ、0.083mΩ和0.080mΩ。Cu Busbar起始電阻變化相對較小。
另外，Busbar厚度越小，隨著通電時間增加，電阻變化越大。例如，0.3mmAL Tab與1.0mmAL Busbar焊接接頭在通電過程中電阻增加了0.034mΩ。對應(yīng)1.5mm AL Busbar，電阻增加了0.024mΩ；對應(yīng)2.0mm AL Busbar，電阻增加了0.021mΩ；對應(yīng)2.5mm AL Busbar，電阻增加了0.016mΩ。同樣的變化也發(fā)生在AL Tab與不同厚度的銅Busbar的焊接接頭上。變化百分比見圖5(h)。
圖6 電阻變化曲線，分別為 0.3mmCu[Ni] Tab焊接到(a)1.0mmAL Busbar (b)1.5mmAL Busbar (c)2.0mmAL Busbar (d)2.5mmAL Busbar (e)1.0mmCu Busbar (f)1.5mmCu Busbar (g)1.5mm Cu Busbar (h)是變化百分比。
類似的，0.3mmd厚Cu[Ni] Tab焊接到不同厚度和AL/Cu Busbar上的接頭電阻，也會隨著通電時間的增加而增加，見圖6。我們還可以觀察到：
0.3mmCu[Ni]焊接到1.5mm AL Basbar的接頭初始電阻，和焊接到1.0mm Cu Basbar的電阻相同(0.057mΩ);
0.3mmCu[Ni]焊接到2.0mm AL Basbar的接頭初始電阻，和焊接到1.5mm Cu Basbar的電阻相同(0.050mΩ)；
0.3mmCu[Ni]焊接到2.5mm AL Basbar的接頭初始電阻，和焊接到2.0mm Cu Basbar的電阻相同(0.046mΩ)；
隨著Busbar厚度增加，接頭電阻在通電過程中變化的梯度減小，且呈現(xiàn)趨于恒定數(shù)值。
0.3mmCu[Ni] Tab與1.0mmAL Busbar焊接接頭在通電過程中電阻增加了0.013mΩ。對應(yīng)1.5mm AL Busbar，電阻增加了0.010mΩ；對應(yīng)2.0mm AL Busbar，電阻增加了0.006mΩ；對應(yīng)2.5mm AL Busbar，電阻增加了0.005mΩ。
0.3mmCu[Ni] Tab與1.0mmCu Busbar焊接接頭在通電過程中電阻增加了0.0089mΩ。對應(yīng)1.5mm Cu Busbar，電阻增加了0.0053mΩ；對應(yīng)2.0mm Cu Busbar，電阻增加了0.0049mΩ。變化百分比見圖6(h)。
不同組合的接頭電阻，在通電過程中的最大值匯總在表4。從表上可以觀察出：0.3mm Cu[Ni] Tab的平均電阻值約是對應(yīng)Al Tab的0.6倍。
表4 不同組合下的電阻值
2.3 接頭熱性能
鋰電池老化是電動汽車行業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)之一，導(dǎo)致電池老化的主要原因之一是高溫。有研究表明，Tab溫度升高比電池表面溫度升高更令人擔(dān)憂，對Tab接頭充分冷卻可延長電池組壽命3倍，即降低電池使用成本66%。
Tab焊接到Busbar的接頭溫升曲線見圖7，所有試驗的起始溫度設(shè)定為25℃。與電阻變化類似，接頭處的溫度隨著熱量產(chǎn)生和電阻變化而增加。例如，當(dāng)250A電流通過0.3mmAL Tab和1.0mm AL Busbar的焊接接頭60s后，測量得到的最高溫度96.18°C。隨著Busbar厚度的增加，接頭處得到的最大溫度會因為一些原因而降低，包括起始電阻、電阻變化、熱傳導(dǎo)系數(shù)和散熱質(zhì)量等。例如，0.3mmAL Tab和1.5mm、2.0mm和2.5mm厚的AL Busbar接頭通電的最大溫度分別為80.27℃、67.83℃和59.97℃。
一般來說，由于銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)大且電阻相對較低，因此采用Cu Busbar的接頭溫度要低于采用AL Busbar接頭溫度。例如，0.3mm AL Tab和2.0mm AL Busbar的焊接頭溫升67.83℃，要高于0.3mm AL Tab和2.0mm Cu Busbar的焊接頭溫升50.07℃。圖7(a)和(b)表示0.3mmAL Tab焊接到不同厚度的AL 和Cu Busbar的溫度響應(yīng)曲線。Cu Busbar 的溫升明顯小于Al Busbar 溫升。因此，當(dāng)采用AL Tab時，Cu Busbar的接頭熱學(xué)性能更好。
0.3mm Cu[Ni] Tab焊接到Al和Cu的Busbar的接頭溫升曲線見圖圖7(c)和(d)。由于Cu電阻小且熱傳導(dǎo)系數(shù)低，因此采用 Cu[Ni] Tab的接頭溫升低。例如，0.3mm Cu[Ni] Tab和1.0mm AL Busbar的焊接頭通電60s最大溫度66.96℃，明顯低于0.3mm Al Tab和 1.0mm Al Busbar通電溫升96.18℃。
圖7 在250A電流下60s內(nèi)的溫升曲線，(a)0.3mm Al Tab焊接到Al Busbar，(b)0.3mm Al Tab焊接到Cu Busbar，(c)0.3mm Cu[Ni] Tab焊接到Al Busbar，(d)0.3mm Cu[Ni] Tab焊接到Cu Busbar。
圖8給出了0.3mm Al/Cu[Ni] Tab和不同厚度的Al/Cu Busbar焊接后的接頭在通電過程中的溫升變化，相比較初始溫度的增加倍數(shù)。與電阻特性相同，Cu[Ni]Tab的平均溫升只有AL Tab的0.6倍。
圖8 0.3mm Al/Cu[Ni] Tab和不同厚度的Al/Cu Busbar接頭在通電60s的溫升變化
3、結(jié)論
本次研究對比了不同組合下的Tab和Busbar焊接接頭的機械強度、電阻和溫升特性。對0.3mm的Al 和 Cu[Ni] Tab焊接到不同厚度的Al和Cu Busbar的接頭的關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)：機械強度、電阻和溫升進(jìn)行了評價。用T-peel拉力試驗機測試了接頭的機械強度，得到最佳焊接參數(shù)。對于0.3mm Al Tab和Al Busbar的超聲波焊接，焊接壓力1.5Bar，焊接振幅50µm，焊接時間0.35s；對于0.3mm Cu[Ni] Tab 和 Cu Busbar 的超聲波焊接，焊接壓力1.5Bar，焊接振幅50µm，焊接時間0.55s。用以上最佳參數(shù)進(jìn)行打樣，并對樣件進(jìn)行電阻和溫升特性測試。有以下結(jié)論：
隨著Busbar厚度增加，接頭在通電過程中電阻變化減小，并且趨近一條平坦直線。我們可以觀察到0.3mm AL Tab 和1.5mm AL Busbar的接頭電阻變化與0.3mm Cu[Ni] Tab和1.0mm Cu Busbar的接頭相同。
溫升曲線表明，隨著Busbar厚度增加，接頭處測量的最高溫度降低。此外，Cu[Ni] Tab的平均溫升只有AL Tab的0.6倍。
以上結(jié)果和數(shù)據(jù)，對采用超聲波金屬焊接工藝的Tab和Busbar選型，提供參考和指南。此外，這些結(jié)果還可以用于電池組建模和仿真來評估整個PACK性能。
