Optimización de la soldadura por puntos de microresistencia para las lengüetas de las baterías de iones de litio 18650 en aplicaciones de vehículos eléctricos

A medida que los vehículos eléctricos (VE) se vuelven cada vez más populares, la demanda de baterías eficientes y fiables continúa creciendo. Un reto clave en la fabricación de baterías es garantizar conexiones resistentes y duraderas entre las lengüetas de níquel y las celdas cilíndricas de iones de litio 18650. En este contexto, la soldadura por puntos de microresistencia (micro-RSW) se ha convertido en una técnica de unión rentable y escalable, especialmente adecuada para aplicaciones de volumen bajo a medio, como bicicletas y patinetes eléctricos.

¿Por qué soldadura por puntos con microresistencia?

- Bajo coste de inversión y mantenimiento
- El calentamiento localizado reduce el daño térmico.
- Proporciona una fuerte unión mecánica.
- Baja resistencia de contacto eléctrico para una conducción de corriente efectiva

Diseño experimental

Los investigadores soldaron lengüetas de níquel de 0,2 mm de espesor a terminales de Hilumin de 0,3 mm y 0,4 mm de espesor utilizando una configuración de electrodos en serie. Se empleó una combinación de diseño de Taguchi y experimentos factoriales completos para analizar sistemáticamente los efectos de parámetros como la corriente de soldadura, el tiempo de soldadura y la fuerza del electrodo.

Hallazgos clave

- La corriente de soldadura y el tiempo de soldadura se identificaron como los parámetros más críticos que afectan la resistencia de la unión.
- Parámetros óptimos del proceso:
- Para Hilumin de 0,3 mm: 1800–2000 A, 8–12 ms
- Para Hilumin de 0,4 mm: 1900–2100 A, 8–12 ms
- La soldadura de cuatro pepitas mejoró significativamente el rendimiento mecánico y eléctrico.
- Un mayor aporte de energía mejora la resistencia de la unión, pero debe gestionarse con cuidado para evitar salpicaduras o degradación del material.

Tabla de datos: Carga máxima bajo diferentes parámetros (0,3 mm Hilumin)

Datos de resistencia eléctrica y aumento de temperatura

Optimización de procesos y relevancia industrial

Optimizar los parámetros de la soldadura por puntos de microresistencia (micro-RSW) no es solo un ejercicio académico, sino que tiene consecuencias prácticas para los fabricantes de baterías. En la producción a gran escala de baterías para vehículos eléctricos, incluso pequeñas mejoras en la calidad de la soldadura pueden traducirse en mejoras sustanciales en eficiencia energética, vida útil y seguridad. Un ajuste preciso de la corriente y el tiempo de soldadura garantiza una integridad uniforme de la unión en miles de celdas, lo que ayuda a evitar la acumulación de resistencia interna o puntos calientes térmicos.

Comparación con otras técnicas de soldadura

Si bien la soldadura láser y la soldadura ultrasónica también se utilizan para las conexiones de las pestañas de las celdas, la micro-RSW destaca por su simplicidad, rentabilidad y requisitos mínimos de equipo. La soldadura láser, por ejemplo, requiere una mayor inversión de capital y puede causar una penetración térmica más profunda, lo que podría afectar a los componentes sensibles de la batería. La soldadura ultrasónica está limitada por el espesor del material y la complejidad de la fijación mecánica. Por el contrario, la micro-RSW ofrece una entrada de calor localizada, un tiempo de ciclo rápido y una implementación escalable, ideal para aplicaciones como patinetes eléctricos, herramientas eléctricas y vehículos eléctricos ligeros.

Consideraciones materiales

La selección de materiales adecuados es crucial para una soldadura eficaz. El níquel es el preferido por su alta conductividad eléctrica, excelente resistencia a la corrosión y compatibilidad con terminales de acero como el Hilumin. Sin embargo, las diferencias de conductividad térmica y puntos de fusión entre metales diferentes pueden generar problemas como la formación irregular de pepitas o la propagación de grietas. En este estudio, el uso de lengüetas de níquel de 0,2 mm con terminales de Hilumin de 0,3/0,4 mm proporciona una combinación equilibrada de resistencia, conductividad y facilidad de fabricación.

Gestión térmica en paquetes de baterías

Una de las principales preocupaciones en el diseño de baterías de vehículos eléctricos es la generación de calor durante el funcionamiento con alta corriente. Una soldadura de mala calidad puede resultar en un aumento de la resistencia eléctrica en la interfaz entre la lengüeta y el terminal, lo que provoca un calentamiento por efecto Joule. Como se observó en este estudio, la temperatura de la unión puede superar los 60 °C con una corriente continua de 30 A, lo que supera el límite de funcionamiento seguro (~45 °C) para la mayoría de las baterías de iones de litio. Por lo tanto, comprender el comportamiento térmico de las soldaduras es esencial para diseñar sistemas eficaces de gestión térmica en los módulos de batería.

Modos de fallo y evaluación de la calidad

Las pruebas mecánicas, como las de corte por solape y las de pelado a 90°, permiten comprender la resistencia de las uniones y los mecanismos de fallo. El fallo interfacial suele ocurrir en uniones con soldadura insuficiente, mientras que las soldaduras bien ejecutadas tienden a presentar fallos por extracción, lo que indica una unión metalúrgica más resistente. La microscopía transversal revela además la formación de pepitas y cualquier deformación en las láminas terminales. Este método de pruebas destructivas y no destructivas garantiza que solo se utilicen soldaduras robustas y fiables en la producción.

Implicaciones para la investigación futura

A medida que la tecnología de baterías continúa evolucionando, especialmente con la aparición de baterías de estado sólido, diseños sin placas y plataformas de alto voltaje, las técnicas de unión deberán adaptarse. La micro-RSW sigue siendo un método viable, pero puede requerir la integración con sistemas de control inteligente, monitorización en tiempo real o incluso algoritmos de aprendizaje automático para ajustar dinámicamente los parámetros de soldadura. Además, la exploración de aleaciones avanzadas, placas compuestas y recubrimientos alternativos puede optimizar aún más la fiabilidad de la soldadura.

Consideraciones sobre sostenibilidad y ciclo de vida

Una soldadura fiable no solo garantiza el rendimiento del producto, sino que también contribuye a la sostenibilidad a largo plazo. Las baterías con soldaduras consistentemente resistentes tienen menos probabilidades de fallar prematuramente, lo que reduce la frecuencia de reemplazos y la generación de residuos electrónicos. Además, una batería bien soldada es más fácil de reciclar, ya que los sistemas de desmontaje automatizados pueden programarse para lograr zonas de soldadura uniformes. Por lo tanto, la micro-RSW optimizada se alinea con los objetivos de rendimiento y medioambientales de los sistemas energéticos modernos.

Conclusión reiterada

Este estudio ampliado reafirma la importancia de la optimización de parámetros en micro-RSW para celdas cilíndricas de iones de litio. Al centrarse en el diseño del proceso, la selección de materiales, la integridad mecánica y el comportamiento térmico, los fabricantes pueden mejorar significativamente la fiabilidad de las baterías para vehículos eléctricos. A medida que crece el mercado de vehículos eléctricos, la adopción de soluciones de soldadura robustas y escalables como la micro-RSW será esencial para mantener la calidad a gran escala.