تحسين لحام النقاط الدقيقة المقاومة لشرائح بطاريات الليثيوم أيون 18650 في تطبيقات المركبات الكهربائية
Aug 05, 2025مع تزايد شعبية المركبات الكهربائية، يتزايد الطلب على بطاريات فعّالة وموثوقة. ويتمثل أحد التحديات الرئيسية في تصنيع بطاريات البطاريات في ضمان توصيلات قوية ومتينة بين أطراف النيكل وخلايا أيونات الليثيوم الأسطوانية 18650. وفي هذا السياق، برزت تقنية لحام النقاط الدقيقة (micro-RSW) كتقنية توصيل فعّالة من حيث التكلفة وقابلة للتطوير، وهي مناسبة بشكل خاص للتطبيقات منخفضة ومتوسطة الحجم، مثل الدراجات الكهربائية والسكوتر.
- انخفاض تكاليف الاستثمار والصيانة
- التدفئة الموضعية تقلل من الضرر الحراري
- يوفر رابطة ميكانيكية قوية
- مقاومة اتصال كهربائية منخفضة لتوصيل التيار الفعال
قام الباحثون بلحام ألسنة نيكل بسمك 0.2 مم مع أطراف هايلومين بسمك 0.3 مم و0.4 مم باستخدام أقطاب كهربائية متسلسلة. واستُخدم مزيج من تصميم تاجوتشي وتجارب العوامل الكاملة لتحليل آثار معلمات مثل تيار اللحام، وزمن اللحام، وقوة القطب الكهربائي بشكل منهجي.
- تم تحديد تيار اللحام ووقت اللحام باعتبارهما المعلمات الأكثر أهمية التي تؤثر على قوة المفصل.
- معلمات العملية المثلى:
- بالنسبة للهيليومين 0.3 مم: 1800-2000 أمبير، 8-12 مللي ثانية
- بالنسبة للهيليومين 0.4 مم: 1900-2100 أمبير، 8-12 مللي ثانية
- أدى اللحام بأربع قطع إلى تحسين الأداء الميكانيكي والكهربائي بشكل كبير.
- يؤدي إدخال الطاقة الأعلى إلى تحسين قوة المفصل ولكن يجب إدارته بعناية لتجنب تناثر المواد أو تدهورها.
تيار اللحام (أمبير) | وقت اللحام (مللي ثانية) | أقصى حمل (نيوتن) |
1400 | 4 | 389.7 |
1800 | 8 | 796.3 |
عام 2000 | 12 | 1071.9 |
2400 | 14 | 1082.3 |
التيار (أ) | المقاومة (مΩ) | ارتفاع درجة الحرارة (0.3 ملم هيلومين، درجة مئوية) | ارتفاع درجة الحرارة (0.4 ملم هيلومين، درجة مئوية) |
10 | 0.84 | 26.1 | 24.0 |
20 | 0.89 | 37.4 | 30.2 |
30 | 1.02 | 63.6 | 54.2 |
إن تحسين معايير لحام النقاط الدقيقة المقاومة (micro-RSW) ليس مجرد تمرين أكاديمي، بل له آثار عملية على مصنعي البطاريات. ففي إنتاج بطاريات السيارات الكهربائية على نطاق واسع، حتى التحسينات الطفيفة في جودة اللحام يمكن أن تُترجم إلى مكاسب كبيرة في كفاءة الطاقة، وعمر البطارية، والسلامة. ويضمن الضبط الدقيق لتيار اللحام وزمنه سلامة الوصلات عبر آلاف الخلايا، مما يُساعد على تجنب تراكم المقاومة الداخلية أو النقاط الساخنة الحرارية.
بينما يُستخدم اللحام بالليزر واللحام بالموجات فوق الصوتية أيضًا في توصيلات الخلايا، يتميز اللحام بالليزر الدقيق (micro-RSW) ببساطته وفعاليته من حيث التكلفة ومتطلباته البسيطة من المعدات. على سبيل المثال، يتطلب اللحام بالليزر استثمارًا رأسماليًا أعلى وقد يُسبب اختراقًا حراريًا أعمق، مما قد يؤثر على مكونات البطارية الحساسة. أما اللحام بالموجات فوق الصوتية، فيُقيّده سمك المادة وتعقيد التركيبات الميكانيكية. في المقابل، يوفر اللحام بالليزر الدقيق (micro-RSW) مدخلات حرارية موضعية، وزمن دورة سريع، وتطبيقًا قابلًا للتطوير، وهو مثالي لتطبيقات مثل الدراجات البخارية الكهربائية، والأدوات الكهربائية، والمركبات الكهربائية خفيفة الوزن.
يُعد اختيار المواد المناسبة أمرًا بالغ الأهمية لفعالية اللحام. يُفضل النيكل نظرًا لموصليته الكهربائية العالية، ومقاومته الممتازة للتآكل، وتوافقه مع أطراف الفولاذ مثل الهايلومين. ومع ذلك، قد تؤدي الاختلافات في الموصلية الحرارية ودرجات الانصهار بين المعادن المختلفة إلى تحديات مثل تكوين كتل غير متساوية أو انتشار الشقوق. يوفر استخدام هذه الدراسة لقطع من النيكل بسمك 0.2 مم مع أطراف الهايلومين بسمك 0.3/0.4 مم مزيجًا متوازنًا من القوة والتوصيل وسهولة التصنيع.
من أهمّ المخاوف في تصميم بطاريات المركبات الكهربائية توليد الحرارة أثناء التشغيل بتيار عالٍ. قد يؤدي ضعف جودة اللحام إلى زيادة المقاومة الكهربائية عند نقطة التقاء طرفي التوصيل، مما يؤدي إلى تسخين جول. وكما لوحظ في هذه الدراسة، يمكن أن ترتفع درجة حرارة الوصلة لأكثر من 60 درجة مئوية تحت تيار مستمر بقوة 30 أمبير، وهو ما يتجاوز حدّ التشغيل الآمن (~45 درجة مئوية) لمعظم بطاريات أيونات الليثيوم. لذلك، يُعدّ فهم السلوك الحراري للحام أمرًا أساسيًا لتصميم أنظمة إدارة حرارية فعّالة في وحدات البطاريات.
تُوفر الاختبارات الميكانيكية، مثل اختبار القص المتداخل واختبار التقشير بزاوية 90 درجة، فهمًا أعمق لآليات قوة الوصلات وفشلها. يحدث فشل السطح البيني عادةً في الوصلات غير الملحومة جيدًا، بينما تميل اللحامات المُنفَّذة جيدًا إلى إظهار فشل انزلاقي، مما يُشير إلى قوة الترابط المعدني. يكشف الفحص المجهري المقطعي أيضًا عن تكوّن الكتل وأي تشوه في الصفائح الطرفية. يضمن هذا النهج الاختباري غير التدميري استخدام لحامات متينة وموثوقة فقط في الإنتاج.
مع استمرار تطور تكنولوجيا البطاريات، لا سيما مع ظهور بطاريات الحالة الصلبة، وتصاميم البطاريات اللوحية، ومنصات الجهد العالي، ستحتاج تقنيات اللحام إلى التكيف. لا تزال تقنية Micro-RSW طريقةً فعّالة، ولكنها قد تتطلب التكامل مع أنظمة التحكم الذكية، والمراقبة الآنية، أو حتى خوارزميات التعلم الآلي لضبط معاملات اللحام ديناميكيًا. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن أن يُحسّن البحث في السبائك المتقدمة، وعلامات التبويب المركبة، والطلاءات البديلة من موثوقية اللحام بشكل أكبر.
لا يضمن اللحام الموثوق أداء المنتج فحسب، بل يدعم أيضًا الاستدامة طويلة الأمد. فالبطاريات ذات اللحامات القوية باستمرار أقل عرضة للتلف المبكر، مما يقلل من تكرار استبدالها والنفايات الإلكترونية. علاوة على ذلك، يسهل إعادة تدوير البطارية المتماسكة جيدًا، إذ يمكن برمجة أنظمة التفكيك الآلي لاستهداف مناطق لحام موحدة. وبالتالي، يتوافق اللحام الدقيق المُحسّن مع أهداف الأداء والبيئة في أنظمة الطاقة الحديثة.
تؤكد هذه الدراسة الموسعة أهمية تحسين المعاملات في تقنية اللحام الدقيق للحام بالقوس المغناطيسي (micro-RSW) لخلايا أيونات الليثيوم الأسطوانية. من خلال التركيز على تصميم العملية، واختيار المواد، والسلامة الميكانيكية، والسلوك الحراري، يمكن للمصنعين تحسين موثوقية حزمة البطاريات بشكل كبير في المركبات الكهربائية. مع نمو سوق المركبات الكهربائية، سيكون اعتماد حلول لحام متينة وقابلة للتطوير، مثل تقنية اللحام الدقيق للحام بالقوس المغناطيسي (micro-RSW)، ضروريًا للحفاظ على الجودة على نطاق واسع.
