Никелевая лента для сварки аккумуляторов

Современная аккумуляторная батарея состоит из нескольких Li-ion аккумуляторов, для соединения которых используется никелевая лента.

Никелевая лента широко используется для создания аккумуляторных сборок из двух или более аккумулирующих электрическую энергию элементов. Для этого применяется точечная (контактная) сварка. С её помощью отрезок ленты приваривается к полюсам нескольких элементов, соединяя их в аккумуляторную батарею (АКБ). Коммутационные схемы бывают последовательными, параллельными и смешанными (комбинированными).

Цели и задачи меж-аккумуляторных соединений

Сборка батарей из аккумуляторов обусловлена необходимостью получения источников постоянного тока с заданными рабочими характеристиками. Используя определённую схему соединения, можно суммировать нужные параметры отдельных источников и получить групповой накопитель с более высоким напряжением или ёмкостью, либо с комбинацией этих двух параметров. Полученные таким образом аккумуляторные батареи используют для автономного питания электроприборов с различной потребляемой мощностью, запуска ДВС, резервного хранения электроэнергии.

Никелевая лента как оптимальный материал для сборки аккумуляторных батарей

Для соединения аккумуляторов в блок никелевая лента активно используется благодаря ряду характерных физико-химических и технологических параметров. В их числе:

• низкое удельное сопротивление 0,087 Ом•мм²/м;
• низкая теплоёмкость 460 Дж/кг, препятствующая перегреву проводника;
• высокая прочность на разрыв (предел 450 МПа) и пластичность;
• стойкость к коррозии, окислению;
• способность выдерживать нагрев до 960°C и ток до 17,8 ампер (кратковременно до 35 ампер) без изменения свойств.

Технологичность сварочной никелевой ленты обеспечивается её профилем, а именно: прямоугольным сечением, толщиной от 0,127 до 0,2 мм, шириной от 5 до 10 мм. Этот форм-фактор обеспечивает устойчивое размещение отрезка ленты с плотным прилеганием на плоской поверхности плюсового контакта небольших аккумуляторов типоразмера 18350 или 18650, удобное для последующего приваривания. Благодаря эргономичному форм-фактору процесс сварки легко автоматизировать. Малая толщина ленты не способствует увеличению габаритов готовой батареи. Существует никелевая лента с увеличенной шириной, с высеченными в ней квадратными отверстиями. Её назначение – создание эффективного соединения между четырьмя, шестью или большим числом аккумуляторов, установленных параллельно в «батарейных» держателях.

Обоснованность точечной сварки для соединения аккумуляторов в батарею

Никелевая лента хорошо подходит для сварки в группы однотипных элементов питания с разными активными компонентами, включая никель-кадмиевые (Ni-Cd) или никель-металлогидридные (Ni-Mh) аккумуляторы. Однако сегодня «никелевые» источники питания утратили свои позиции на рынке, уступив место более совершенным литий-ионным (Li-ion) батареям.

Конструктивно литий-ионные батареи представляют собой сборки из одиночных цилиндрических «пальчиковых» аккумуляторов. Поскольку в силу химического состава литиевые аккумуляторы взрывоопасны, а их ёмкость при нагреве снижается, соединение методом пайки из-за сравнительно длительного нагрева не рекомендуется и практически не применяется. Более эффективным, быстрым, безопасным способом является точечная сварка короткими импульсами тока большой силы, в процессе которой никелевая лента приваривается к полюсам элементов, соединяя их. Время воздействия электрода в точке контакта ленты с поверхностью аккумулятора составляет всего несколько миллисекунд. Этого достаточно для её надёжного приваривания к накопителю, при этом ни контакт аккумулятора, ни сам накопитель, не нагреваются до критических значений, поскольку тепловой импульс, возникающий при сварке, минимален.

Точечная сварка против пайки

При точечной сварке аккумуляторов с помощью никелевой ленты не нужен оловянный припой, который повышает сопротивление в месте контакта на 30-35%, и хотя незначительно, но увеличивает вес батареи, что важно при производстве источников питания для мобильных устройств. Ещё один недостаток пайки заключается в том, что она уступает сварке в качестве и прочности соединения на отрыв. Важно заметить, что при точечной сварке никеля не образуется окалина, что обычное дело при работе с медью, которая как олово, повышает сопротивление проводника.

Выбор габаритов никелевой ленты для сварки аккумуляторов

Для сварки аккумуляторов ширина и толщина никелевой ленты подбирается с учётом максимальных значений тока, который будет по ней протекать. Определить их можно зная суммарную ёмкость элементов, предназначенных для сборки. Условно принято считать, что максимальный ток заряда и разряда аккумулятора не должен превышать 0,2 от физического значения его ёмкости. Например, у аккумулятора для мотоцикла или скутера емкостью 30А/ч максимальный ток разряда составит 6А (0,2×30А/ч = 6А). Чем больше суммарная ёмкость, тем больше ток. Исходя из этого, никелевая лента для сварки подбирается по таблице:

Рисунок 1. Никелевая лента для сварки аккумуляторов

Технологический процесс сварки аккумуляторов никелевой лентой

Устройства для точечной сварки аккумуляторов используются на промышленных предприятиях, в ремонтных сервисах и мастерами-любителями в домашних условиях. Вне зависимости от масштабов производства, размеров и конструкции оборудования, технология сваривания батарей на заводе принципиально не отличается, от той, которая используется в частном гараже. В отличие от двусторонних аппаратов, имеющих два противостоящих друг другу электрода (стержня), для соединения никелевой ленты с аккумуляторами применяются устройства с одним электродом. Процесс создания батареи можно разделить на три этапа:

• Формирование группы аккумуляторов, подготовка отрезков никелевой ленты нужного размера и их укладка на плоские контакты расположенных рядом друг с другом элементов питания.
• Кратковременная подача тока в точку сваривания через прижатый к ленте электрод, под действием которого никель плавится, а его частицы прочно «прилипают» к полюсу аккумулятора.
• Прекращение подачи тока, охлаждение сварного соединения.

Схемы коммутации аккумуляторов

Существует три схемы соединения элементов в аккумуляторной батарее, применяя которые можно увеличить емкость батареи, повысить напряжение или сделать, и то, и другое.

Параллельное соединение
При параллельном соединении однополярных клемм накопителей, емкость полученной аккумуляторной батареи будет равна сумме ёмкостей входящих в её состав элементов.

Последовательное соединение
При последовательном соединении разнополярных контактов элементов питания, когда «плюс» одного аккумулятора соединяется с «минусом» следующего, рабочее напряжение полученной батареи будет равно сумме напряжений соединённых в ней накопителей.

Смешанное (комбинированное) соединение
Комбинированная коммутация аккумуляторов на первом этапе подразумевает создание сборок путём последовательного соединения элементов, чтобы добиться нужного суммарного напряжения. На втором этапе эти сборки коммутируются между собой параллельно, благодаря чему их ёмкости суммируются. В итоге получается батарея с повышенным напряжением и увеличенной ёмкостью.

Рисунок 2. Аккумуляторная сборка

Перспективы никелевой ленты как материала для аккумуляторных сборок

На созданных вышеперечисленными способами литиевых батареях работают ноутбуки, электроинструменты, электровелосипеды, сигвеи, квадрокоптеры, медицинское оборудование, электромобили и т д. Даже если в ближайшем будущем произойдёт очередная замена накопителей на более совершенные и эффективные аккумуляторы, то и они будут литиевыми. Скорее всего, это будут литиево-серные (Li-S) или литиево-кислородные источники энергии. Это означает, что никелевая лента, наиболее подходящая для соединения литиевых аккумуляторов, будет востребована не только сегодня и завтра, но и в более отдалённой перспективе.