Otimização da soldagem a ponto por microrresistência para abas de bateria de íons de lítio 18650 em aplicações de veículos elétricos

À medida que os veículos elétricos (VEs) se tornam cada vez mais populares, a demanda por baterias eficientes e confiáveis ​​continua a crescer. Um dos principais desafios na fabricação de baterias é garantir conexões fortes e duráveis ​​entre as abas de níquel e as células cilíndricas de íons de lítio 18650. Nesse contexto, a soldagem a ponto por microrresistência (micro-RSW) surgiu como uma técnica de união econômica e escalável, especialmente adequada para aplicações de baixo a médio volume, como bicicletas e patinetes elétricos.

Por que soldagem a ponto por microrresistência?

- Baixo custo de investimento e manutenção
- Aquecimento localizado reduz danos térmicos
- Proporciona forte ligação mecânica
- Baixa resistência de contato elétrico para condução de corrente eficaz

Design Experimental

Pesquisadores soldaram abas de níquel com 0,2 mm de espessura a terminais Hilumin com 0,3 mm e 0,4 mm de espessura usando uma configuração de eletrodos em série. Uma combinação de experimentos fatoriais completos e de planejamento de Taguchi foi empregada para analisar sistematicamente os efeitos de parâmetros como corrente de soldagem, tempo de soldagem e força do eletrodo.

Principais descobertas

- A corrente de soldagem e o tempo de soldagem foram identificados como os parâmetros mais críticos que afetam a resistência da junta.
- Parâmetros ótimos do processo:
- Para Hilumin de 0,3 mm: 1800–2000 A, 8–12 ms
- Para Hilumin de 0,4 mm: 1900–2100 A, 8–12 ms
- A soldagem de quatro pepitas melhorou significativamente o desempenho mecânico e elétrico.
- Maior entrada de energia melhora a resistência da junta, mas deve ser cuidadosamente gerenciada para evitar respingos ou degradação do material.

Tabela de dados: Carga máxima sob diferentes parâmetros (0,3 mm Hilumin)

Dados de resistência elétrica e aumento de temperatura

Otimização de Processos e Relevância Industrial

Otimizar os parâmetros da soldagem a ponto por microrresistência (micro-RSW) não é apenas um exercício acadêmico — tem consequências práticas para os fabricantes de baterias. Na produção em larga escala de baterias para veículos elétricos, mesmo pequenas melhorias na qualidade da solda podem se traduzir em ganhos substanciais em eficiência energética, vida útil e segurança. O ajuste preciso da corrente e do tempo de solda garante a integridade consistente da junta em milhares de células, ajudando a evitar o acúmulo de resistência interna ou pontos de alta temperatura.

Comparação com outras técnicas de soldagem

Embora a soldagem a laser e a soldagem ultrassônica também sejam utilizadas para conexões de abas de células, a micro-RSW se destaca por sua simplicidade, custo-benefício e requisitos mínimos de equipamento. A soldagem a laser, por exemplo, exige maior investimento de capital e pode causar penetração térmica mais profunda, afetando potencialmente componentes sensíveis da bateria. A soldagem ultrassônica é limitada pela espessura do material e pela complexidade do dispositivo mecânico. Em contraste, a micro-RSW fornece entrada de calor localizada, tempo de ciclo rápido e implementação escalável — ideal para aplicações como patinetes elétricos, ferramentas elétricas e veículos elétricos leves.

Considerações materiais

A seleção de materiais adequados é fundamental para uma soldagem eficaz. O níquel é preferido devido à sua alta condutividade elétrica, excelente resistência à corrosão e compatibilidade com terminais de aço como o Hilumin. No entanto, diferenças na condutividade térmica e nos pontos de fusão entre metais diferentes podem levar a desafios como a formação irregular de pepitas ou a propagação de trincas. O uso, neste estudo, de abas de Ni de 0,2 mm com terminais Hilumin de 0,3/0,4 mm proporciona uma combinação equilibrada de resistência, condutividade e capacidade de fabricação.

Gerenciamento térmico em baterias

Uma das principais preocupações no projeto de baterias de veículos elétricos é a geração de calor durante a operação com alta corrente. A má qualidade da solda pode resultar em aumento da resistência elétrica na interface entre a aba e o terminal, levando ao aquecimento por efeito Joule. Conforme observado neste estudo, a temperatura da junta pode aumentar mais de 60 °C sob corrente contínua de 30 A, o que está além do limite operacional seguro (~45 °C) para a maioria das baterias de íons de lítio. Portanto, compreender o comportamento térmico das soldas é essencial para o projeto de sistemas eficazes de gerenciamento térmico em módulos de bateria.

Modos de falha e avaliação de qualidade

Ensaios mecânicos, como cisalhamento sobreposto e descascamento a 90°, fornecem informações sobre a resistência das juntas e os mecanismos de falha. A falha interfacial normalmente ocorre em juntas subsoldadas, enquanto soldas bem executadas tendem a apresentar falha por arrancamento, indicando uma ligação metalúrgica mais forte. A microscopia transversal revela ainda a formação de pepitas e qualquer deformação nas chapas terminais. Essa abordagem de ensaios não destrutivos e destrutivos garante que apenas soldas robustas e confiáveis ​​sejam utilizadas na produção.

Implicações para pesquisas futuras

À medida que a tecnologia de baterias continua a evoluir — especialmente com o surgimento de baterias de estado sólido, projetos tableless e plataformas de alta tensão — as técnicas de união precisarão se adaptar. A micro-RSW continua sendo um método viável, mas pode exigir integração com sistemas de controle inteligentes, monitoramento em tempo real ou até mesmo algoritmos de aprendizado de máquina para ajustar dinamicamente os parâmetros de soldagem. Além disso, a exploração de ligas avançadas, abas compostas e revestimentos alternativos pode otimizar ainda mais a confiabilidade da soldagem.

Considerações sobre sustentabilidade e ciclo de vida

Uma soldagem confiável não só garante o desempenho do produto, como também contribui para a sustentabilidade a longo prazo. Baterias com soldas consistentemente fortes têm menor probabilidade de falhar prematuramente, reduzindo a frequência de substituições e o desperdício de eletrônicos. Além disso, uma bateria bem unida é mais fácil de reciclar, pois os sistemas de desmontagem automatizados podem ser programados para atingir zonas de solda uniformes. O micro-RSW otimizado, portanto, alinha-se às metas de desempenho e ambientais em sistemas de energia modernos.

Conclusão Reiterada

Este estudo abrangente reafirma a importância da otimização de parâmetros em micro-RSW para células cilíndricas de íons de lítio. Ao focar no projeto do processo, na seleção de materiais, na integridade mecânica e no comportamento térmico, os fabricantes podem melhorar significativamente a confiabilidade das baterias para veículos elétricos. À medida que o mercado de veículos elétricos cresce, a adoção de soluções de soldagem robustas e escaláveis, como a micro-RSW, será essencial para manter a qualidade em escala.