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锂离子动力电池极片的激光切割分析

邓永丽 李庆 黄学杰

邓永丽, 李庆, 黄学杰. 锂离子动力电池极片的激光切割分析[J]. 中国光学, 2018, 11(6): 974-982. doi: 10.3788/CO.20181106.0974
引用本文: 邓永丽, 李庆, 黄学杰. 锂离子动力电池极片的激光切割分析[J]. 中国光学, 2018, 11(6): 974-982. doi: 10.3788/CO.20181106.0974
DENG Yong-li, LI Qing, HUANG Xue-jie. Analysis of laser cutting of lithium-ion power battery pole piece[J]. Chinese Optics, 2018, 11(6): 974-982. doi: 10.3788/CO.20181106.0974
Citation: DENG Yong-li, LI Qing, HUANG Xue-jie. Analysis of laser cutting of lithium-ion power battery pole piece[J]. Chinese Optics, 2018, 11(6): 974-982. doi: 10.3788/CO.20181106.0974

锂离子动力电池极片的激光切割分析

doi: 10.3788/CO.20181106.0974
基金项目: 

中科院STS:创新型动力电池关键生产技术研究 Y7A5010101

详细信息
    作者简介:

    邓永丽(1983-), 女, 湖南邵阳人, 硕士, 工程师, 2010年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得硕士学位, 主要从事激光加工应用方面的研究。E-mail:dengyongli@gziit.ac.cn

  • 中图分类号: TN249

Analysis of laser cutting of lithium-ion power battery pole piece

Funds: 

Science and Technology Service Network Initiative:Research on the key Production Technology of Innovative Power Battery Y7A5010101

More Information
  • 摘要: 为适应锂离子动力电池行业发展需求,寻求一种高效高质切片方式,本文研究了多种激光器的切片质量。通过影像测量仪和扫描电镜(SEM)对比发现,100 ns脉宽调Q型1 064 nm光纤激光器切割正极铝箔时毛刺和热影响区(HAZ)约为15 μm和60 μm,切负极铜箔时HAZ约为200 μm;20 ns脉宽的MOPA光纤激光器切割铝箔毛刺10 μm,HAZ约为20 μm,切铜箔时HAZ约70 μm;脉宽为10 ps的固体激光器切割铝箔毛刺和HAZ分别约为6 μm和10 μm,切铜箔时实现无熔融重凝区;20 ns脉宽的355 nm紫外和532 nm的绿光固体激光器切割铝箔HAZ分别为10 μm和17 μm,切铜箔时HAZ则分别为大于70 μm和100 μm。实验结果表明:脉宽越窄,重复频率越高,切割的极片质量越好,ps激光器切割的极片精度最高,质量最好,是切割极片最理想激光器。而目前,频率高、脉宽相对窄的MOPA光纤激光器切割速度最高,切割的正极片完全满足工业要求,更适合极片切割的工业推广。
  • 图  1  金属对激光的吸收率

    Figure  1.  Absorption ratio of the laser for common metal

    图  2  调Q光纤激光器切割极片质量图(平均功率P=100 W, 波长λ=1 065 nm, 脉宽τ=100 ns, 激光重复频率F=100 kHz, 聚焦光斑约为60 μm, 正极切割速度v=1 800 mm/s,负极切割速度v=500 mm/s)

    Figure  2.  Quality maps of electrode sheet cut by Q-swiched fiber laser(average power P=100 W, wavelength λ=1 065 nm, duration τ=100 ns, pulse repetition frequency F=100 kHz, focus beam about 60 μm, cutting velocity v=1 800 mm/s for Al-foil and v=500 mm/s for Cu-foil)

    图  3  20 ns MOPA激光切割的正负极片(波长λ=1 065 nm, 平均功率P=100 W, 最大单脉冲能量E=0.13 mJ, 脉宽τ=20 ns, 激光重复频率F=760 kHz, 聚焦光斑约60 μm)

    Figure  3.  Electrode sheets cut by 20 ns MOPA laser(wavelength λ=1 065 nm, average power P=100 W, max pulse energy E=0.13 mJ, duration τ=100 ns, pulse repetition frequency F=760 kHz, focus beam about 60 μm)

    图  4  10 ps激光切割的正负极片(波长λ=1 064 nm, 平均功率P=9.1 W, 重复频率F=300 kHz,脉冲宽度τ=10 ps,单脉冲能量>50 μJ)

    Figure  4.  Quality maps of electrode sheets by 10 ps solid laser(wavelength λ=1 064 nm, average power P=9.1 W, duration τ=10 ps, pulse repetition frequency F=300 kHz, Max pulse energy > 50 μJ)

    图  5  532 nm和355 nm激光切割的极片(532 nm绿光参数:波长532 nm:平均功率P=16 W, 重复频率F=40 kHz,脉冲宽度τ=20 ns以及355 nm紫外光参数:波长355 nm,平均功率P=8 W, 重复频率F=40 kHz,脉冲宽度τ=20 ns)

    Figure  5.  Electrode sheets cut by 532 nm and 355 nm solid lasers(green laser:wavelength λ=532 nm, average power P=16 W, duration τ=20 ns, pulse repetition frequency F=40 kHz; uv laser: wavelength λ=355 nm, average power P=8 W, duration τ=20 ns, pulse repetition frequency F=40 kHz)

    表  1  各种激光器切割正负极片的质量

    Table  1.   Qualities of positive and negative electrodes cut by different kinds of lasers

    激光器及相应参数 正极 负极 评价
    532 nm皮秒激光器@τ=10 ps,
    F=300 kHz, P=9.1 W
    毛刺:6 μm HAZ:10 μm
    切速:2 800 mm/s
    毛刺:无, HAZ:无熔融热影响区
    切速:800 mm/s
    最优
    1 064 nm MOPA激光器@τ=20 ns,
    F=760 kHz, P=100 W
    毛刺:10 μm HAZ:20 μm
    切速:2 800 mm/s以上
    毛刺:很小HAZ:熔融区60 μm
    切速:800 mm/s
    较优
    355 nm固体激光器@τ=20 ns,
    F=40 kHz, P=8 W
    毛刺:小HAZ:10 μm
    切速:600 mm/s
    毛刺:较小, HAZ:>70 μm
    切速:400 mm/s
    一般
    1 064 nm调Q光纤激光器@τ=100 ns,
    F=100 kHz, P=100 W
    毛刺:15 μm, HAZ: 60 μm
    切速:1 800 mm/s
    毛刺:-, HAZ:200 μm
    切速:500 mm/s
    较差
    532 nm固体激光器@τ=20 ns,
    F=40 kHz, P=16 W
    毛刺:小HAZ:17 μm
    切速:1 000 mm/s
    毛刺:-, HAZ:100~200
    μm切速:600 mm/s
    较差
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-09-14
  • 修回日期:  2018-06-05
  • 刊出日期:  2018-12-01

锂离子动力电池极片的激光切割分析

doi: 10.3788/CO.20181106.0974
    基金项目:

    中科院STS:创新型动力电池关键生产技术研究 Y7A5010101

    作者简介:

    邓永丽(1983-), 女, 湖南邵阳人, 硕士, 工程师, 2010年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得硕士学位, 主要从事激光加工应用方面的研究。E-mail:dengyongli@gziit.ac.cn

  • 中图分类号: TN249

摘要: 为适应锂离子动力电池行业发展需求,寻求一种高效高质切片方式,本文研究了多种激光器的切片质量。通过影像测量仪和扫描电镜(SEM)对比发现,100 ns脉宽调Q型1 064 nm光纤激光器切割正极铝箔时毛刺和热影响区(HAZ)约为15 μm和60 μm,切负极铜箔时HAZ约为200 μm;20 ns脉宽的MOPA光纤激光器切割铝箔毛刺10 μm,HAZ约为20 μm,切铜箔时HAZ约70 μm;脉宽为10 ps的固体激光器切割铝箔毛刺和HAZ分别约为6 μm和10 μm,切铜箔时实现无熔融重凝区;20 ns脉宽的355 nm紫外和532 nm的绿光固体激光器切割铝箔HAZ分别为10 μm和17 μm,切铜箔时HAZ则分别为大于70 μm和100 μm。实验结果表明:脉宽越窄,重复频率越高,切割的极片质量越好,ps激光器切割的极片精度最高,质量最好,是切割极片最理想激光器。而目前,频率高、脉宽相对窄的MOPA光纤激光器切割速度最高,切割的正极片完全满足工业要求,更适合极片切割的工业推广。

English Abstract

邓永丽, 李庆, 黄学杰. 锂离子动力电池极片的激光切割分析[J]. 中国光学, 2018, 11(6): 974-982. doi: 10.3788/CO.20181106.0974
引用本文: 邓永丽, 李庆, 黄学杰. 锂离子动力电池极片的激光切割分析[J]. 中国光学, 2018, 11(6): 974-982. doi: 10.3788/CO.20181106.0974
DENG Yong-li, LI Qing, HUANG Xue-jie. Analysis of laser cutting of lithium-ion power battery pole piece[J]. Chinese Optics, 2018, 11(6): 974-982. doi: 10.3788/CO.20181106.0974
Citation: DENG Yong-li, LI Qing, HUANG Xue-jie. Analysis of laser cutting of lithium-ion power battery pole piece[J]. Chinese Optics, 2018, 11(6): 974-982. doi: 10.3788/CO.20181106.0974
    • 激光加工技术已成为近20年来发展最快的高新技术,已成为改造传统制造业,发展工业4.0的关键技术之一。此外,在近年大力发展的新能源电池领域,激光也发挥越来越大的作用。

      传统刀模冲压过程中会对极片引入机械应力,产生毛刺、掉粉和露白等一系列安全问题。同时,刀模易磨损,需定期打磨或更换,影响连续性生产。近几年来,各种激光技术迅猛发展,为锂离子电池极片切割开辟了新的途径,越来越多激光切割取代了传统刀模。激光切割具有切片效率高、切割图形灵活多样及免维护等优点[1-5]。本文主要研究了市场上几种主流激光器对锂电池正负极片的切割效果,包括调Q型光纤激光器、MOPA光纤激光器、皮秒激光器、绿光激光器及紫外激光器等,为锂电池极片切割的激光选型提供一定的理论指导。

    • 金属内存在大量自由电子,当激光照射金属表面时,表层附近的电子受到光频电磁波的强迫振动而产生次波,这些次波形成强烈的反射波和较弱的透射波,即大部分能量被材料反射, 小部分能量透射进材料被材料吸收。反射率A和吸收率R满足能量守恒定律,见公式(1)。透射进入材料内部的激光能量沉积在表层很浅的位置,随深度增加能量呈指数衰减,如公式(2)所示。

      (1)
      (2)

      式中,p为激光总功率密度,a为吸收系数,多数金属的吸收系数为105~106 cm-1。材料的吸收率与温度、表面粗糙度、有无涂层及激光的偏振特性等诸多因素有关。常见金属材料对不同激光的吸收率见图 1。常态下,表面光洁的铝材是一种高反射材料,其对1 064 nm激光的吸收率只有6%左右,对532 nm和355 nm波长的吸收率稍高,为8%,虽然对半导体激光器808 nm波段的吸收率可达12%,但由于半导体激光器的光束发散角大,光束质量较差,不能直接用于材料加工。而铜对1 064 nm激光的吸收率约为2%,对绿光或紫外光的吸收率相对高一点,同时铜的热导率非常高,因此铜加工是当前难点之一。

      图  1  金属对激光的吸收率

      Figure 1.  Absorption ratio of the laser for common metal

      照射在金属表面的激光能量被表层附近的自由电子吸收,电子被瞬间加热,高温电子通过碰撞将能量传递给其它低温粒子如电子和离子等,通过电子-电子、电子-离子的撞击进行热量交换,电子的动能转化为晶格的热振动能,然后按照热传导的机理向周围和材料内部传播,引起材料温度升高,从而出现相应的变化。对于各向同性材料,单位时间里材料温度变化由温度源和材料热传导损失能量共同决定,因此金属的热传导方程[6-10]见公式(3):

      (3)

      式中,ρ为密度,C为体积比热容,t为时间,T为温度,K为材料热导率,Q(x, y, z, t)表示单位体积内材料吸收的激光能量。对于垂直入射的半无限大表面热源有Q(x, y, z, t)=A·p·α·e-αz

      当长脉冲激光照射时,激光脉宽τ1满足τl>>τphτph为电-声弛豫时间。脉冲激光作用时间里,电子与离子进行了充分碰撞耦合,两者最终达到热平衡。持续的能量供给,使晶格吸收的能量不断向周围低温区扩散,引起周围材料的热变形,其热量传递适用于公式(3)。长脉冲激光作用时,材料的热影响区大,加工精度低。室温下,金属热导率K主要由电子贡献,金属比热容C则由晶格决定。实际上,激光照射过程中,ρ, C, Ka都不是常数,而且激光加热升温过程中,材料的物理性能也发生变化,因此方程(3)的求解十分复杂。

      而超短脉冲(τl<<τph)作用于金属表面时,电子骤然升温,由于电子与离子质量相差很大,电子每次与离子碰撞时交换的能量份额太小,因此电子和离子达到动力学平衡的弛豫时间相差很大,电子的弛豫时间τe为100 fs左右,而一般电-声弛豫时间τphτe大两个量级[11-13]。故高温电子尚来不及与离子进行充分热交换,当前脉冲便已结束,此时离子与电子具有不同的温度,此时公式(3)不再适用。需分别求解电子与离子的温度,见公式(4)和(5),高温电子碰撞仅让周围小部分晶格获得了相应能量,发生熔化或汽化,并带走大部分热量,留在材料中的能量很少,超短脉冲的这种“冷”加工模式,使得切口精度高,热影响小,特别适用于精密加工领域。

      (4)
      (5)

      由相关文献[11-13]知,金属Al的电子弛豫时间为0.067 ps, 电-声弛豫时间为4.27 ps,而Cu的电子弛豫时间为0.467 ps, 电-声弛豫为57.5 ps。

      本文开展了不同脉宽激光器切割动力极片的相关实验,并对15 μm厚的正极铝箔和8 μm厚的负极铜箔的切片质量进行了分析,为锂离子动力电池极片切割的激光选型提供一定的指导。

    • 近年,声光调Q技术日趋成熟,功率不断增加,从几年前的20 W到目前的百瓦级,价格也不断降低,声光调Q激光单脉冲能量约为1 mJ,脉宽多在100 ns,工作频率多在100 kHz左右。图 2图 3便为调Q光纤激光器切割的正极和负极切边质量图。当激光功率P=100 W, 波长λ=1 065 nm, 脉宽τ=100 ns, 重复频率F=100 kHz, 通过10 mm振镜和163 mm场镜后,聚焦光斑约为60 μm(计入衍射)。当切割速度为1 800 mm/s时,正极可观察到明显的毛刺,如图 2(a)所示,毛刺约为15 μm,热影响区(HAZ)约为60 μm,图 2(b)的扫描电镜(SEM)得到的结果中发现明显的鱼鳞状融熔重凝层,宽度近60 μm。对于铝材而言,其热影响区即为融熔重凝层。重凝层下端有大量飞溅小颗粒,部分飞溅物会落到极片中央,冷凝后粘附在极片上,大尺寸的飞溅物有可能会刺破正负极片间的隔膜,造成电池短路。同时切割边缘毛刺太大也容易划破隔膜,因此极片切割时要尽量避免飞溅和大毛刺的产生。

      图  2  调Q光纤激光器切割极片质量图(平均功率P=100 W, 波长λ=1 065 nm, 脉宽τ=100 ns, 激光重复频率F=100 kHz, 聚焦光斑约为60 μm, 正极切割速度v=1 800 mm/s,负极切割速度v=500 mm/s)

      Figure 2.  Quality maps of electrode sheet cut by Q-swiched fiber laser(average power P=100 W, wavelength λ=1 065 nm, duration τ=100 ns, pulse repetition frequency F=100 kHz, focus beam about 60 μm, cutting velocity v=1 800 mm/s for Al-foil and v=500 mm/s for Cu-foil)

      图  3  20 ns MOPA激光切割的正负极片(波长λ=1 065 nm, 平均功率P=100 W, 最大单脉冲能量E=0.13 mJ, 脉宽τ=20 ns, 激光重复频率F=760 kHz, 聚焦光斑约60 μm)

      Figure 3.  Electrode sheets cut by 20 ns MOPA laser(wavelength λ=1 065 nm, average power P=100 W, max pulse energy E=0.13 mJ, duration τ=100 ns, pulse repetition frequency F=760 kHz, focus beam about 60 μm)

      相对于正极铝箔,负极铜箔的切割具有很大挑战。铜箔具有低吸收率(约2%)和高热导率(铜的热导率约为铝的2倍),使得铜箔吸收的少量热量很快向周围和内部扩散,因此切割速度慢、HAZ大。相同激光照射下,15 μm厚铝箔的切割速度可达2 000 mm/s,而8 μm厚铜箔的切割速度只有500 mm/s,在图 2(c)中可观测到200 μm的HAZ。

      100 ns脉冲相对铜和铝来说,都属于超长脉冲,有τl>>τph。因此,在一个脉冲周期内,持续的热输入可使电子与晶格充分耦合,电子和晶格温度相同,达到电-声热平衡,在持续脉冲作用下,激光能量不断向周围传导,因此HAZ很大。一般而言,金属热导率越大,其传热越快,HAZ越大。热熔融加工模式必然引起基材的氧化,但正极氧化形成的氧化铝不导电,对电池性能无影响,而负极氧化形成的氧化铜则会充当放电的正极,会影响电池性能。因此,1 064 nm长脉宽调Q型光纤激光器不适合切割负极铜箔。

    • 受制于声光调制器的特性,1 064 nm调Q型光纤激光器的脉宽不能太窄,但MOPA型激光器不同,其通过对种子源的电调制,可实现几十纳米,甚至几纳米的“窄”脉宽模式,同时工作频率也可达兆赫兹。图 3为脉宽为20 ns,工作频率为760 kHz,单脉冲能量为0.13 mJ,峰值功率密度约为2.4×106 W/mm2的MOPA激光器切割得到的正负极片质量图。可见,采用20 ns的MOPA激光器后,切割毛刺明显改善,仅有少量偶发性毛刺呈不规则分布,且毛刺尺寸小于10 μm,HAZ也大大减小,从调Q光纤激光器时的60 μm下降到20 μm左右,如图 3(a)所示。通过图 3(b)的SEM图发现,融熔层尺寸和切割飞溅减少。由于脉冲频率提高数倍,SEM图观测到融熔层上无明显鱼鳞纹,正极片的切割质量较调Q激光器得到很大改善。采用MOPA激光器切割的负极铜箔也未观察到明显的毛刺。由图 3(c)可知,通过影像测量仪测得HAZ为70 μm,由图 3(d)可知,通过SEM可见20 μm左右的融熔重凝层。材料吸收的激光能量除被表面吸收发生融熔汽化形成切口外,也有一部分热量沿切口向材料内部及四周传递,因此,对于高热导率的铜,HAZ不仅包括熔融区,还有热扩散区。如图 3(d)所示。融熔区下方存在明显的三色热影响带,近切口端获得的热量很高,呈亮白色,稍远处呈红色,再往里呈黄色,离切口越远,颜色越淡并回归基体颜色。

      相较于铝和铜的电-声弛豫时间,调Q激光器与20 ns的MOPA激光器同为长脉冲激光器,两者峰值功率相当。但由于MOPA激光器的脉宽低,重复频率高,脉冲周期内的输入能量减少,晶格热传导区域变窄,HAZ变小。此外,重复频率的大幅提升使得光斑重叠率提升,也有利于减小毛刺,增加切割速度。将20 ns脉宽100 W平均功率的MOPA激光器聚焦,焦点光斑直径为60 μm时,切割15 μm的铝箔时振镜的走笔速度可高达3 500 mm/s, 切8 μm的铜箔时速度达800 mm/s左右。

      由此可见,“窄”脉宽、高重复频率的MOPA激光器在切割质量和切割速度上很具优势,同时其价格与调Q激光器相近,因此,其非常适用于正极片的切割。

    • 皮秒激光器是指脉宽为皮秒级的一种激光器,通过对种子源锁模可得到超窄脉冲信号,再经放大级输出,其重复频率可高达几十兆赫兹, 同时其光束质量好,一般M2可达1.3左右。皮秒激光器可通过倍频或三倍频技术将1 064 nm近红外激光转化为532 nm的绿光及355 nm紫外光,以适应不同材料的加工需求。当激光脉宽远小于材料电-声弛豫时间时,激光能量来不及向周围基材进行热传递,表现为材料的“冷加工”。因此,皮秒激光器的加工精度高,融熔与飞溅都很少,热影响区很小。

      图 4为9.1 W脉宽为10 ps重复频率为300 kHz的532 nm绿光激光器切割正负极片效果图。当切割速度为1 000 mm/s时,由图 4(a)4(b)可见,正极片的融熔重凝区进一步减小,但依然存在6 μm左右的毛刺和10 μm的HAZ。与20 ns的MOPA激光器的加工效果相比,脉宽更窄的10 ps激光器的切片质量更好。负极材料铜箔的加工效果如图 4(c)4(d)所示。可见,10 ps激光切割时,三色热影响区带明显减弱,几乎无白色光亮层和红色热扩散层,在1 000倍SEM下可观测到,切口呈无毛刺状态,且无熔融重凝区。

      图  4  10 ps激光切割的正负极片(波长λ=1 064 nm, 平均功率P=9.1 W, 重复频率F=300 kHz,脉冲宽度τ=10 ps,单脉冲能量>50 μJ)

      Figure 4.  Quality maps of electrode sheets by 10 ps solid laser(wavelength λ=1 064 nm, average power P=9.1 W, duration τ=10 ps, pulse repetition frequency F=300 kHz, Max pulse energy > 50 μJ)

      由于铜的电声弛豫时间为57.5 ps,激光脉宽为10 ps,有τl<<τph,导致电子获得的能量来不及和晶格进行充分热交换,故电子与晶格具有不同的温度,适用公式(4)和(5)。更一进的理论研究表明[14-15],高能激光作用下,不仅最外层电子会获得大量能量发生电离,内层电子也会发生碰撞电离,产生带高价正电的母离子。母体离子库仑斥力的存在使母体离子不稳定,容易发生库仑爆炸,从而使小部分粒子汽化逸出材料,引发材料晶格结构不可恢复的破坏,切口通常呈纳米级的烧蚀,不会出现熔融重凝层,呈现图 4(d)的效果。虽然形成的金属蒸汽会带走大部分能量,但是脉冲过后,依然有一部分能量留在晶格里,使局部温度升高,出现热效应,如图 4(c)中观测到的热影响区。

      皮秒激光器以其优势快速占领精细加工市场,在生物医学、脆性物质加工、生物显微成像等领域有很大应用。由于国内皮秒激光器技术尚未完全成熟,激光器的制造成本依旧较高,在工业生产中,需均衡加工精度和生产成本,因此很少厂家利用皮秒来切割极片。相信随着皮秒激光器技术的成熟,成本大幅降低,皮秒激光器也会在电池极片切割领域开拓一片新天地。

    • 除了1 064 nm调Q光纤激光器、1 064 nm MOPA激光器、皮秒激光器外,本文还采用一些其它激光器进行实验,比如固体绿光及紫外激光器等。鉴于这些激光器的切割效果都不太理想,因此只进行了影像仪测量,相应的切割质量如图 5所示。35 W、1 064 nm固体激光器经过倍频后得到532 nm激光,其脉宽为20 ns,重复频率为40 kHz, 功率为16 W左右,通过焦距为160 mm的平场镜后,光斑大小约为30 μm, 而经过3倍频后得到的355 nm紫外激光器功率约为8 W。532 nm绿光激光器切割的铝箔效果图如图 5(a)所示。可见,毛刺很小,HAZ约为17 μm,其切割速度为1 000 mm/s;而切铜箔时速度约600 mm/s,毛刺也很小,但存在明显的三色热传导的HAZ区, 尺寸约为100 μm。相对于绿光激光,355 nm的紫外激光切割效果略好,切铝时毛刺很小,HAZ约为10 μm;切铜时,热传导的三色热影响区为70 μm左右,如图 5(d)所示, 另有部分切口处三色热影响区高达200 μm。其效果与20 ns的1 064 nm光纤激光器相当。由于此固体激光器光束模式并不是很稳定,切割极片质量也不稳定,532 nm激光切割负极铜时也出现过200 μm的三色热影响区。此外,在切割正极片时, 出现规律性分布的19 μm毛刺的现象,由于此激光脉冲重复率低,当切割速度稍大时会导致光斑重叠率低而形成明显毛刺。

      图  5  532 nm和355 nm激光切割的极片(532 nm绿光参数:波长532 nm:平均功率P=16 W, 重复频率F=40 kHz,脉冲宽度τ=20 ns以及355 nm紫外光参数:波长355 nm,平均功率P=8 W, 重复频率F=40 kHz,脉冲宽度τ=20 ns)

      Figure 5.  Electrode sheets cut by 532 nm and 355 nm solid lasers(green laser:wavelength λ=532 nm, average power P=16 W, duration τ=20 ns, pulse repetition frequency F=40 kHz; uv laser: wavelength λ=355 nm, average power P=8 W, duration τ=20 ns, pulse repetition frequency F=40 kHz)

      由此可见,仅通过改变激光波长以提升激光的吸收率并不能获得理想的切割效果,还需综合考虑激光的脉冲宽度,重复频率,激光重叠率,光束质量及稳定性等因素。

    • 将各种激光器切割正负极片的切割效果汇总,见表 1。通过对比可发现,脉宽是影响切片质量的首要因素。当τl>>τph时,为热熔融切割模式,脉宽越大,热影响区越大。当采用超短脉冲τl<<τph照射时,电子来不及与晶格进行充分热交换,表层少量原子发生库仑爆炸而逸出晶格,晶格变形极小,飞溅和HAZ也很小。除了脉宽外,重复频率、光束模式、激光波长也对切割质量有影响。因此窄脉宽、高重复频率的皮秒激光器是切割铝箔和铜箔最理想的激光器。但由于皮秒技术未完全成熟,价格还很高,难以工业推广。而脉宽相对“窄”的MOPA激光器价格低廉,切割的正极片也完全满足工业要求,是切割正极片性价比最高的激光器,相信随着其脉宽的减少和频率的增加,其应用前景会越来越好。

      表 1  各种激光器切割正负极片的质量

      Table 1.  Qualities of positive and negative electrodes cut by different kinds of lasers

      激光器及相应参数 正极 负极 评价
      532 nm皮秒激光器@τ=10 ps,
      F=300 kHz, P=9.1 W
      毛刺:6 μm HAZ:10 μm
      切速:2 800 mm/s
      毛刺:无, HAZ:无熔融热影响区
      切速:800 mm/s
      最优
      1 064 nm MOPA激光器@τ=20 ns,
      F=760 kHz, P=100 W
      毛刺:10 μm HAZ:20 μm
      切速:2 800 mm/s以上
      毛刺:很小HAZ:熔融区60 μm
      切速:800 mm/s
      较优
      355 nm固体激光器@τ=20 ns,
      F=40 kHz, P=8 W
      毛刺:小HAZ:10 μm
      切速:600 mm/s
      毛刺:较小, HAZ:>70 μm
      切速:400 mm/s
      一般
      1 064 nm调Q光纤激光器@τ=100 ns,
      F=100 kHz, P=100 W
      毛刺:15 μm, HAZ: 60 μm
      切速:1 800 mm/s
      毛刺:-, HAZ:200 μm
      切速:500 mm/s
      较差
      532 nm固体激光器@τ=20 ns,
      F=40 kHz, P=16 W
      毛刺:小HAZ:17 μm
      切速:1 000 mm/s
      毛刺:-, HAZ:100~200
      μm切速:600 mm/s
      较差
参考文献 (17)

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