EV電池組立用銅箔の超音波溶接

写真提供：genkur、iStock / Getty Images Plus

超音波溶接機は、最大出力 3 キロワット、動作周波数 20 キロヘルツを提供しました。 イラスト提供：株式会社モニシス

溶接は、アンビル側に 1 枚のニッケルメッキ銅ストリップを配置し、ホーン側に 40 層の銅箔を配置することによって実行されました。 イラスト提供：株式会社モニシス

研究者らは、T 剥離試験を使用して関節の強度を測定しました。 溶接されたサンプルは、タブとフォイルを分離することによって両方向に 90 度曲げられ、T 字形を形成しました。 フォイルは上部グリップで保持され、タブは下部グリップで保持されました。 試験は室温で、クロスヘッド速度５０ミリメートル／分で実施された。 イラスト提供：株式会社モニシス

位置がずれている場合（上）、溶接される領域で発生する溶接エネルギーが少なくなります。 逆に、ツールが揃っている場合（下）、ホーンが接触する面積が比較的大きいため、溶接エネルギーは大きくなります。 イラスト提供：株式会社モニシス

このグラフは、同じ溶接条件でのミスアライメントとアライメントの電力信号を比較したものです。 ツールが適切に位置合わせされている場合、接合部に加えられる溶接エネルギーがより大きくなり、したがって溶接がより強力になることが検証されます。 イラスト提供：株式会社モニシス

データのパレート分析により、良好な接合を作成するには溶接時間と溶接力が振幅よりも重要であることが示されています。 イラスト提供：株式会社モニシス

最良の溶接は、溶接力が 3 bar 以上、溶接時間が 0.5 秒以下の場合に得られました。 イラスト提供：株式会社モニシス

これらの顕微鏡画像は、良好な接合部、過剰に溶接された接合部、および不十分に溶接された接合部の違いを示しています。 写真提供：株式会社モニシス

電気自動車用のバッテリーは、複数のセルとバスバーを接続して単一のモジュールを形成することによって製造されます。 その後、数十のモジュールが組み立てられてバッテリー パックになります。

バッテリーセルは多層のフォイルとタブに接続されています。 主な材質としては銅やアルミニウムなどが使用されます。

箔をタブに接合するには、抵抗スポット溶接、レーザー溶接、および超音波金属溶接 (UMW) が使用されています。 抵抗溶接はスピードと自動化が簡単な点で有利ですが、銅箔の熱伝導率と電気伝導率が高いため、銅箔には適していません。 レーザー溶接は高速プロセスですが、装置の初期コストが高く、銅の高い熱伝導率、高い反射率、低い吸収率により高品質の溶接を確保することが困難です。 さらに、融着中には大量の金属間化合物が形成されますが、これを制御するのは困難です。

逆に、UMW プロセスには多くの利点があります。 それは簡単です。 幅広い材質の接合が可能です。 短時間で広範囲の溶接が可能です。 また、金属間化合物の生成が少なく、接触部でのエネルギーロスが少ないです。

EV コンポーネントの金属溶接における超音波エネルギーの使用については、数多くの研究が行われています。 ほとんどは、単一のタブとタブまたはタブとバスバーの溶接に焦点を当てています。 多層箔をタブに溶接するプロセスを検討した人はほとんどいません。

私たちの研究では、高密度リチウムイオン電池の一般的なアセンブリである、薄いニッケルメッキ銅箔ストリップに複数の銅箔層を接合するための UMW の使用を検討しました。 私たちの研究は材料の溶接性に焦点を当てました。 ホーンとアンビルの位置合わせが生産と品質に与える影響。 力、振幅、時間などのさまざまなプロセスパラメータの影響。

私たちの研究の試験片は、厚さ 8 ミクロンの多層銅箔 (純度 99.99 パーセントの銅) と、厚さ 0.2 ミリメートルのニッケルメッキ銅ストリップで構成されていました。 フォイルとストリップは両方とも幅 20 ミリメートル、長さ 50 ミリメートルでした。

超音波溶接機は、最大出力 3 キロワット、動作周波数 20 キロヘルツを提供しました。 溶接は、アンビル側に 1 枚のニッケルメッキ銅ストリップを配置し、ホーン側に 40 層の銅箔を配置することによって実行されました。