融合焊接与固态连接协同强化的电池铝箔多层级高质量接合研究

为解决锂离子电池(LIBs)多层级铝箔堆叠焊接中热变形、层间剥离及气孔缺陷等难题，研究人员创新设计"三明治结构"对接接头，采用芯环激光(Core-Ring Laser)功率配比调控与光束振荡技术，实现熔焊区与固态连接区协同强化。结果表明：400 Hz环形振荡使气孔率降至9%，芯功率60%时固态连接有效深度(De)达0.9 mm，抗拉强度提升至594.4 N，为高导电性电极连接提供新方案。

　　

随着新能源产业的爆发式增长，锂离子电池(LIBs)作为核心储能器件面临严峻的制造挑战。其中，由数十层超薄铝箔（单层12 μm）堆叠而成的正极集流体，需要通过焊接实现机械强度与导电性的双重保障。然而传统激光焊接中，热循环导致的箔层翘曲、层间剥离，以及铝材特有的气孔缺陷，成为制约电池性能的"阿喀琉斯之踵"。更棘手的是，随着箔层数增加，这些缺陷会呈指数级恶化——当堆叠层数从10层增至30层时，气孔尺寸和数量会出现显著跃升。

针对这一行业痛点，上海交通大学联合美国通用汽车全球研发团队创新性地提出"三明治对接接头"设计。该研究将50层铝箔堆叠（总厚600 μm）夹持于两条特制铝条之间形成刚性约束，采用可调环形模(ARM)激光配合光束振荡技术，在《Optics》期刊发表了突破性成果。研究团队通过X射线无损检测、微观组织分析和力学测试等手段，首次揭示了熔焊区下方固态连接区的形成机制及其对力学性能的线性增强规律。

关键技术方法包括：1）设计铝条夹持的"三明治"对接结构（铝条尺寸2.3×2×55 mm）；2）采用IPG YLS-6000光纤激光器实施芯环双光束焊接（芯径100 μm/环径300 μm）；3）结合光束振荡（圆形轨迹振幅0.3 mm，频率50-500 Hz）；4）通过X射线检测系统（YXLON FF20 CT）量化气孔率；5）建立固态连接有效深度(De)与抗拉强度的数学模型。

【材料与实验设置】
创新性的夹持结构设计彻底解决了箔层间间隙问题。通过有限元模拟发现，铝条的刚性约束可使界面压力均匀分布至2.5 MPa，为后续固态连接区形成奠定基础。

【芯功率比与光束振荡对气孔的影响】
当芯功率比(R_c)从20%提升至60%时，气孔分布呈现"链状→弥散→集中"的演变规律。400 Hz圆形振荡使气泡被振荡激光二次捕获，气孔率从21%骤降至9%，优于横向振荡模式的15%。

【固态连接区形成机制】
熔池下方存在温度梯度场（250-350°C），在夹持压力作用下形成冶金结合与机械嵌合共存的过渡区。显微硬度测试显示该区域硬度达HV 58，显著高于基材的HV 32。

【力学性能规律】
建立的De-强度模型y=1.2593x-530.19具有高度显著性（R²=0.98）。当R_c=60%时，De达到峰值0.9 mm，对应抗拉强度594.4 N，比传统搭接接头提高217%。

该研究实现了三大突破：1）通过物理约束抑制热变形；2）利用能量梯度场构建"熔焊-固态"复合连接；3）建立工艺-结构-性能的量化关系。特别值得注意的是，固态连接区的存在使有效连接面积增加38%，这意味着电子传输路径的显著优化。正如通讯作者Junjie Ma强调的，这种"刚柔并济"的设计理念，为其他超薄材料叠层连接提供了普适性方案。美国通用汽车Blair Carlson在讨论中指出，该技术使电池极耳连接电阻降低至0.12 mΩ，满足电动汽车万次循环的可靠性要求。未来通过调控铝条几何参数与激光时空能量分布，有望进一步突破100层以上箔堆的焊接瓶颈。