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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(中英文), 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(中英文), 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

2013年工信部工业强基“锂离子动力电池工艺装备技术基础服务平台” 

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

Industrial Strong Foundation Engineering of MIIT 2013: the Basic Platform of Lithium-ion Power Battery Process Equipment Technology 

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

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