​新能源电池铜铝正负极柱清洗全套技术方案

单位：合肥华清高科表面技术有限公司 CTC 项目组，安徽 合肥 230000

联系方式：联系电话：1595691638；E-mail：664520171@qq.com

中文摘要

针对动力电池铜铝正负极柱（含爆炸焊 / 轧制复合铜铝极柱）量产清洗中异种金属工艺窗口窄、界面缝隙残留滞后失效、锂电级洁净度要求严苛、产线节拍约束性强等核心行业痛点，本文提出覆盖冲压零件离线批量清洗、电芯装配后焊前在线清洗、成品仓储前防护钝化三大核心工序的成套表面处理技术方案。方案系统对比了湿式超声化学清洗、脉冲激光干式清洗、大气等离子精洗、碳氢真空气相清洗四类主流工艺的作用原理、量产工艺参数与适用边界，研发了无铬无氟、铜铝双金属兼容的专用清洗药剂体系，建立了铜铝复合界面缝隙残留的全链条专项管控方案与锂电级三级质量检测标准。结合产能规模、产品定位、工序阶段与工件结构特征，给出三类量产组合工艺路线与落地配置，可适配 3~30 PPM（件 / 分钟）全节拍电芯产线集成，能在严格控制基材损伤与离子残留的前提下，显著提升超声焊、激光焊的焊接良率与极柱长期服役可靠性，降低综合运维成本，满足动力电池长循环寿命、高安全等级与低内阻的量产交付要求。

关键词：动力电池极柱；铜铝复合；超声清洗；激光清洗；无铬钝化；界面管控

Abstract

Aiming at the core industrial pain points in mass production cleaning of copper and aluminum posts (including copper-aluminum composite posts prepared by explosion welding/rolling compounding) for power batteries, such as narrow process window for dissimilar metals, delayed failure caused by interface gap residue, strict lithium-ion grade cleanliness requirements, and strong takt constraint of production lines, this paper proposes a complete set of surface treatment technical solutions covering three core processes: offline batch cleaning of stamping parts, online cleaning before welding after cell assembly, and protective passivation before finished product storage. The scheme systematically compares the working principles, mass production process parameters and application boundaries of four mainstream processes, namely wet ultrasonic chemical cleaning, pulsed laser dry cleaning, atmospheric plasma precision cleaning, and hydrocarbon vacuum vapor phase cleaning. A special chromium-free and fluorine-free cleaning agent system compatible with copper-aluminum bimetal is developed, and a full-chain special control scheme for gap residue at copper-aluminum composite interface and three-level lithium-ion battery grade quality inspection standards are established. Combined with production capacity scale, product positioning, process stage and workpiece structure characteristics, three types of mass production combined process routes and implementation configurations are proposed, which can be adapted to cell production lines with full takt of 3~30 PPM. On the premise of strictly controlling substrate damage and ion residue, the scheme can significantly improve the welding yield of ultrasonic welding and laser welding as well as the long-term service reliability of posts, reduce comprehensive operation and maintenance costs, and meet the mass production delivery requirements of power batteries with long cycle life, high safety level and low internal resistance.

Key words: power battery post; copper-aluminum composite; ultrasonic cleaning; laser cleaning; chromium-free passivation; interface control

方案概述

本方案为面向动力电池量产制造的极柱表面处理整体解决方案，可全面适配方形、圆柱、软包全品类动力电池的铝质正极柱、镀镍铜质负极柱，以及爆炸焊、轧制复合工艺制备的铜铝复合极柱，完整覆盖冲压零件离线批量清洗、电芯装配后焊前在线清洗、成品仓储前防护钝化三大核心工序。

方案以 “量产一致性、低综合成本、高焊接可靠性” 为核心目标，通过差异化工艺路线匹配不同产能等级与产品定位，在严格控制基材损伤、界面残液与离子杂质的前提下，保障超声焊、激光焊的焊接良率与长期服役可靠性，满足动力电池长循环寿命、高安全等级与低内阻的量产交付要求，可适配 3~30 PPM 全节拍电芯产线的自动化集成。

一、极柱污染物特征与量产专属清洗痛点

（一）典型污染物构成与量产危害

成型加工污染物：极柱冲压、车削过程残留的拉伸油、冲压膏、脱模剂与金属微粉。批量生产中油污残留量的波动会直接导致焊接良率下降，不良率可达 1%~3%；长期服役下残留油污还会引发极柱接触电阻升高、异常发热。

原生氧化层：铝极柱表面会自然生成厚度 2~10 nm 的致密 Al₂O₃绝缘膜，铜极柱表面会形成 CuO/Cu₂O 多孔氧化层。氧化膜导电性极差，且厚度随仓储环境与时间动态波动，是造成焊接虚焊、内阻离散性大的核心诱因。

电芯制程污染物：注液工序残留的 DMC/EC 等电解液溶剂、六氟磷酸锂锂盐结晶与水汽盐渍。该类污染物会持续腐蚀极柱基体、降低绝缘阻值，若漏检流出将引发电芯漏液与热失控安全风险。

界面缝隙污染物：铜铝复合界面存在微米级微观缝隙，油污、清洗药液、漂洗水易渗入且难以彻底排出。该类失效具有隐蔽性与滞后性，经湿热循环后才会显现缺陷，易造成批次性退货与质保索赔，是后期界面电偶腐蚀、发黑分层、焊接失效的核心根源。

（二）铜铝复合极柱量产核心清洗难点

异种金属工艺窗口窄，批量一致性难管控：铝遇强碱会快速发生碱蚀失光，铜遇中强酸易出现过腐蚀失重，单一酸碱清洗剂无法同步适配两种基体。量产过程中槽液浓度、温度、处理时间的微小波动，即可造成单批次良率波动超过 5%，过程能力指数 CPK 难以达到 1.33 以上的量产管控要求。

导电性能约束刚性，参数容错空间小：清洗后不可残留离子杂质，不可造成基体过量减薄，极柱接触电阻波动需控制在 5% 以内。极柱接触电阻为关键安全特性，需纳入 SPC 统计管控，工艺波动直接导致阻值超差，引发模组发热、热失控风险。

界面缝隙为清洗盲区，滞后失效风险高：常规喷淋、超声工艺难以彻底带出缝隙内残液，高温高湿循环下残留药液会持续腐蚀界面，出现发黑、起泡、分层现象。常规检测手段无法识别缝隙内部残液，失效具有批次性与滞后性，是极柱表面处理的头号质量风险点。

锂电洁净等级严苛，过程管控成本高：氯离子、氟离子、有机残留需≤1 μg/cm²，普通工业水洗无法达标，需配套超纯水制备、无尘干燥与洁净车间环境，单件清洗的水电气能耗与检测成本显著高于普通金属清洗。

产线节拍约束强，工艺效率决定产能瓶颈：电芯自动化产线单线节拍快，离线清洗需适配批量产能，在线清洗需匹配 3~20 s 的工位节拍。节拍不达标将直接成为产能瓶颈，同时需平衡在制品库存与生产周转效率。

安全环保合规要求高，运维体系复杂：禁用含铬、高氟强腐蚀药剂，电芯注液后工序严禁使用易燃易爆有机溶剂。锂电厂区防爆等级要求高，化学品储存、废液处置、废气处理均需满足新能源行业专项规范，合规运维成本占比高。

二、主流工业清洗技术体系对比及选型准则

（一）湿式超声化学清洗（极柱零件批量清洗主流工艺）

1. 工艺原理

利用超声波空化效应产生的微射流冲击工件表面与缝隙，搭配铜铝双金属兼容的螯合型清洗剂，分步实现除油、选择性除氧化、多级超纯水漂洗与真空干燥，可同步完成表面洁净与临时防护，适配连续化批量生产。

2. 全自动流水线标准工序（铜铝复合极柱离线清洗）

高压喷淋预清洗：采用 40~50 ℃中性除油剂，喷淋压力 0.3~0.5 MPa，冲除表面厚油污与金属碎屑，减少主清洗槽药剂污染。

超声主除油槽：40 kHz 低频超声，功率密度 0.5~0.8 W/cm²，弱碱性螯合除油液（pH 8.2~9.0），温度 45~50 ℃，处理 5~8 min，剥离有机油污与表层浮锈。

超声微蚀活化槽（核心工序）：28 kHz+80 kHz 双频超声，无氟无铬弱酸螯合活化液，复配铜铝双缓蚀剂，常温～35 ℃，处理 30~90 s，选择性剥离氧化膜，铝基体失重＜0.3 μm / 批次，铜基体无过腐蚀。

一级溢流水洗：纯水逆流漂洗，置换表面残留药液。

二级超纯水漂洗：18.2 MΩ・cm 超纯水，超声辅助，彻底去除离子残留。

真空热风干燥：80~90 ℃负压干燥，优先抽出缝隙内水分，避免水渍与二次氧化。

可选钝化工序：双金属兼容无铬钝化，不影响导电性能，适配 7~15 天仓储周转。

3. 量产价值与局限性

• 量产价值：设备成熟度高，单条线单班产能可达 3~8 万件，综合单耗成本低；可同步完成除油、除氧化与钝化，适配异形结构极柱的批量处理；工艺鲁棒性强，运维门槛低。

• 量产局限性：槽液需定期检测补加，换槽周期 7~15 天，存在废液处置成本；漂洗管控不当易出现离子残留批次不良；单批次处理周期长，难以匹配高速电芯线的在线节拍，仅适用于零件级离线清洗。

• 量产管控要点：槽液每日检测总碱度 / 总酸度与金属离子浓度，按损耗补加药剂；每批次工件首件确认洁净度与基材腐蚀量；漂洗水电导率实时在线监测，超标自动置换。

（二）脉冲激光干式清洗（电芯焊前在线清洗标杆工艺）

1. 工艺原理

采用纳秒脉冲光纤激光（1064 nm）或紫外激光（355 nm），利用氧化层与金属基体的激光吸收率差异，通过光热烧蚀、光化学剥离精准去除纳米～微米级氧化层与电解液结晶。工艺无接触、无耗材，热影响区＜1 μm，不损伤基体尺寸，还可通过可控微毛化提升焊接结合力。

2. 在线工艺流程（焊前原位清洗）

电芯输送到位→视觉系统精准定位极柱区域→振镜控制激光扫描清洗（0.5~1.5 s / 颗）→烟尘负压收集过滤→清洗效果视觉复检→直接进入超声焊 / 激光焊工位，全程无水洗、干燥工序。

3. 核心工艺参数参考

（三）高压纯水喷淋 + 大气等离子精洗（精密辅助工艺）

高压 DI 水喷淋：10~15 MPa 超纯水定向喷淋，冲除表面浮油、粉尘与松散杂质，无化学药剂引入。

大气等离子清洗：氩氧混合低温等离子体，通过自由基反应分解微量有机残留，同时活化表面提升浸润性，处理时间 3~5 s。

该工艺基材零腐蚀、无残留，在线集成性好，运维成本低；但无法去除致密氧化膜与厚油污，仅作为精密极柱的辅助精洗与焊前活化工序，常见于圆柱电池与固态电池极柱处理。

（四）碳氢真空气相清洗（冲压零件离线清洗）

采用碳氢溶剂真空气相冷凝除油，搭配真空干燥，可彻底去除冲压拉伸油，无水印残留。

该工艺仅能去除有机油污，无法剥离氧化层；电芯注液后工序因防爆要求严禁使用，仅适用于极柱零件冲压后的前端清洗；溶剂需定期蒸馏回收，VOC 治理成本高，新建锂电产线逐步被湿式超声 + 激光组合工艺替代。

（五）四类工艺量产核心指标对比

    （六）量产工艺选型决策原则

按工序阶段选型：极柱零件冲压后、未装配电芯阶段，优先选用湿式超声化学清洗 + 钝化离线工艺，兼顾成本与洁净度，满足批量周转需求；电芯装配完成、焊接前工序，优先选用脉冲激光在线清洗，零残留、高节拍，适配自动化产线。

按产能规模选型：年产能 10 GWh 以下的中低速产线，优先采用离线湿式清洗方案，控制初始投资；年产能 20 GWh 以上的高速产线，优先采用激光在线清洗方案，保障节拍与良率。

按产品定位选型：储能、商用车电池等成本敏感型产品，优先湿式批量工艺；乘用车、高端储能等高可靠性要求产品，优先激光在线工艺；圆柱、固态电池等精密产品，配套等离子精洗工序。

按工件结构选型：带深孔、螺纹、复杂台阶的异形复合极柱，采用 “喷淋预除油 + 超声精洗” 组合工艺；平面型标准极柱，优先激光干式清洗。

三、合肥华清高科铜铝双金属兼容专用清洗药剂体系

本体系全部采用无铬、无氟、低氮环保配方，符合《电池工业污染物排放标准》要求，针对量产槽液的长寿命、低损耗、易维护特性进行优化，适配连续化批量生产。

（一）弱碱性螯合除油剂（主清洗）

核心设计思路：采用弱碱性水基除油体系，从根源避免铝基体发生过碱蚀；复配铜铝双金属专用缓蚀剂，通过螯合作用络合清洗过程中溶出的金属离子，抑制金属离子在工件表面二次沉积，实现高效除油与基材防护的平衡。

技术特性：对冲压拉伸油、冲压膏、脱模剂等成型加工油污具有优异的乳化剥离能力，可协同超声波空化效应渗透至微观缝隙内清除隐蔽油污；工作状态下对铝基体腐蚀速率远低于行业常规碱性除油剂，可稳定保证铜极柱表面光泽度，适配铜铝复合极柱的批量同步清洗。

量产管控参数：pH 8.5—9.5，工作温度 45-50 ℃；槽液使用寿命 7-15 天，每日按检测结果补加；铝离子浓度超过 500 mg/L 时建议整槽更换。

（二）选择性微蚀活化液（核心工序）

核心设计思路：采用弱酸络合型活化体系，依托选择性溶解机理优先去除表面氧化层，几乎不侵蚀基体金属；复配精准调控的铜铝双缓蚀组分，精确控制蚀刻速率，实现铜、铝两种异种金属的同步均匀活化。

技术特性：可定向剥离铝表面致密氧化铝膜与铜表面多孔氧化层，消除原生氧化层导致的焊接虚焊与内阻波动；无氟无铬配方体系避免引入有害离子残留，完全适配锂电级洁净度要求，蚀刻后基体表面呈均匀活化态，可直接提升后续焊接结合力。

量产管控参数：pH 2.0-3.0，工作温度 25-35 ℃，处理时间3-5min；铜离子浓度超过 300 mg/L 时需更换；可配套自动滴定系统实现精准补加，稳定蚀刻速率与活化效果。

（三）双金属兼容无铬钝化液（后序防护）

体系：钼酸盐 - 有机杂环复合钝化体系，替代传统铬酸盐钝化工艺，满足环保合规要求。

量产性能：在铜、铝表面同步形成连续致密的转化膜，均匀性偏差≤10%；接触电阻增量＜1 mΩ，兼顾导电性能与耐仓储腐蚀能力。

适用场景：清洗后需仓储周转的极柱零件，平衡耐蚀性与导电性能。

管控要点：钝化过程避免膜层过厚影响导电；槽液 pH 与浓度每日检测，定期过滤去除杂质。

（四）漂洗与干燥量产管控要求

漂洗采用 “三级逆流漂洗 + 超纯水终洗” 模式，终洗水电导率≤0.055 μS/cm；漂洗水回用率可达 60% 以上，显著降低水耗。

干燥采用 “风刀切水 + 真空热风 + 无尘氮气吹干” 三级工艺，优先抽除缝隙内毛细滞留水分，避免水渍残留。

清洗钝化后工件需在 10 min 内完成干燥，干燥环境洁净度不低于万级，相对湿度≤40%，防止二次氧化。

四、铜铝复合界面专项管控方案（量产核心风险管控）

铜铝复合界面失效为隐蔽性批次质量风险，需从工艺、检测、验证全链条建立管控体系，从根源消除缝隙残留与电偶腐蚀隐患。

清洗阶段：采用 28 kHz+80 kHz 双频超声交替模式，低频空化松动缝隙内嵌污物，高频细化表面清洗；优化工件悬挂角度，避免缝隙存液兜留。

漂洗阶段：增加超声辅助逆流漂洗，延长末级漂洗时间，通过空化效应置换缝隙内残留药液；漂洗后增加风刀切水工序，正向吹除缝隙表面残液。

干燥阶段：采用真空负压 + 热风循环组合干燥，优先抽除缝隙内毛细滞留的水分与药液；干燥温度阶梯式提升，避免骤热导致残液扩散。

钝化阶段：清洗干燥后 10 min 内完成钝化，通过薄型转化膜封闭界面微孔，阻断腐蚀介质侵入通道；钝化后采用冷风吹干，避免高温破坏膜层。

量产验证与管控：

首件验证：每批次工件首件做双 85 湿热试验 48 h，界面无发黑、起泡、分层，接触电阻变化率≤10% 方可批量生产；

过程抽检：每日抽测 5 件界面接触电阻，纳入 SPC 管控；每周抽样做金相切片，确认界面无腐蚀痕迹；

失效追溯：建立批次追溯体系，一旦出现界面失效，可回溯全工艺参数与槽液状态。

五、锂电级清洗质量控制标准与量产检测体系

建立 “首件确认 + 过程巡检 + 成品终检” 三级质量管控体系，所有指标满足动力电池行业量产标准。

六、量产主流组合工艺路线与落地配置

（一）路线 1：大批量储能铜铝复合极柱（离线全流程）

适配场景：储能电池、商用车电池极柱零件冲压后批量清洗，产能大、成本敏感，对外观与节拍要求适中。

产能规模：单条线单班产能 3—5 万件，双班可达 8—10 万件。

完整工艺路线：冲压件上料→高压喷淋预除油→双频超声主除油→弱酸选择性微蚀活化→二级纯水逆流漂洗→超纯水终洗→风刀切水→真空热风干燥→双金属无铬钝化→冷风吹干→无尘下料。

落地配置：配套全自动超声波清洗线、纯水制备系统、废水处理系统、万级干燥洁净区；可选配套槽液在线检测与自动补加系统，降低人工干预。

（二）路线 2：乘用车方形电芯高速产线（在线干式）

适配场景：乘用车方形电芯装配后、Busbar 焊接前在线清洗，节拍快、可靠性要求高、零残留要求。

节拍适配：单工位适配 15~20 PPM，双工位可适配 30 PPM 以上高速产线。

完整工艺路线：电芯输送到位→视觉定位极柱→纳秒脉冲激光扫描清洗→烟尘负压收集→焊接前视觉复检→直接进入激光 / 超声焊接工位。

前置配套：若极柱表面油污较重，在电芯装配前增加喷淋预除油工序。

落地配置：纳秒脉冲激光清洗机、3D 视觉定位系统、高效烟尘净化系统、MES 数据对接模块。

（三）路线 3：高精密圆柱 / 固态电池极柱（复合精洗）

适配场景：小直径圆柱极柱、低内阻固态电池极柱，高洁净度、低损伤要求。

工艺路线：低压纯水喷淋除浮尘→超纯水精洗→热风干燥→大气等离子表面活化→短流程钝化。

落地配置：精密喷淋线、等离子清洗机、百级洁净干燥区；全程低应力处理，基材零腐蚀，接触电阻稳定性极佳。

七、量产常见失效模式与整改对策

（一）安全生产管控

电芯注液后工序严禁使用易燃易爆有机溶剂；激光清洗区域划为防爆区，配套粉尘浓度监测与防爆除尘系统，防范金属粉尘爆炸风险。

湿式清洗设备做好接地与防漏电保护，化学品储存区配套防泄漏围堰与应急吸收装置，操作人员配备专用劳保防护用品。

激光设备配套安全防护装置与激光警示标识，避免激光直射造成人身伤害。

（二）环保合规要求

全线禁用六价铬、氢氟酸、高氮强腐蚀药剂，优先选用可生物降解表面活性剂所有药剂满足 ROHS 与 REACH 法规要求。

废气、废水、噪声排放满足《电池工业污染物排放标准》（GB 30484）与地方环保要求。

（三）废液与废弃物处置

废水处理：清洗废液采用 “pH 调节 + 混凝沉淀 + 过滤 + 反渗透” 工艺处理，漂洗水回用率≥60%，产水达标排放或回用于前处理工序；浓水与污泥按危险废物规范委托有资质单位处置。

废气处置：湿式清洗槽配套抽风系统，废气经酸碱中和塔处理后排放；激光烟尘经 HEPA 高效过滤后达标排放。

固废处置：废弃药剂、废滤芯、废槽渣统一按危废管理，建立台账规范处置。