锂离子电池正负极片纳秒脉冲激光切割新工艺及特征简析

李聪

[摘要]伴随新能源类型汽车制造业持续进步发展，对锂离子电池总体生产制造工艺提出更高要求，尤其是对正负极片的纳秒脉冲式激光切割技术工艺而言有着极高要求。鉴于此，本文主要探讨锂离子电池当中正负极片的纳秒脉冲式激光切割全新技术工艺与其特征情况，仅供业内参考。

[关键词]电池；锂离子；正负极片；激光切割；纳秒脉冲；全新工艺；特征；

前言：

针对新能源类型汽车而言，锂离子电池属于重要构成部分，对新能源类型汽车总体使用性能有着直接影响。那么，为确保可充分满足于新能源类型汽车实际性能需求，就需提高对锂离子电池内部极片的纳秒脉冲式激光切割技术工艺层面研究的重视度。因而，对锂离子电池当中正负极片的纳秒脉冲式激光切割全新技术工艺与其特征开展综合分析，有着一定的现实意义和价值。

1、锂离子电池传统切割工艺不足及纳秒脉冲式极耳切割工艺优势概述

1.1在锂离子电池传统切割工艺不足层面

锂离子电池以往传统模切极耳技术工艺，通常是以模具切割及圆滚刀式分切等机械切割作业手段为主，实际切割作业过程当中，通常极易有粉尘及毛刺产生，对电池性能及其使用寿命造成不良影响。那么，针对锂离子电池传统切割工艺不足详细阐述如下：一是，过大毛刺尺寸情况之下，锂离子电池当中正负极相互间隔膜会被刺破，锂离子电池的内部短路极易发生爆炸事故；二是，较差灵活性。锂离子电池传统切割工艺之下，所切割极片总体形状较为固定，无法充分满足于客户切割不同形状及尺寸层面需求；三是，切割刀具实际寿命往往比较有限，且后期维修处理当中呈较高的替换成本；四是，锂离子电池传统切割工艺呈较低的生产作业效率，刀具更换频繁，致使加工效率极其低下；五是，锂离子电池传统切割工艺之下，掉粉及变形问题极易产生，对锂离子电池总体质量所产生影响相对较大[1]。

1.2在锂离子电池总体结构及其纳秒脉冲式极耳切割工艺优势层面

针对锂离子电池总体结构层面，以正负极、电解液、隔膜、外包电池壳等为主。电极，其属于锂离子电池当中核心部分，通常内含电极材料及集流基体。锂离子电池性能往往会受到正负极的材料所影响，即为会受极片材料实际切割作业质量所影响。这种负极内含活性物质及导电的集流体，需用到石墨及和结构类似的一些碳材料，6-15μm厚度电解的铜箔片，钴酸锂或锰酸锂等。一般来说，镍钴锰酸的锂材料为正极活性一种物质，车用的锂电池通常选定镍钴锰酸锂，也就是三元材料及其混合物。电解铝箔片通常用于正极导电的极流体，实际厚度范围为10-20μm。针对锂离子商品化电池，其内部结构以中心端子、安全阀、绝缘片、密封件、PTC等为主，在形状上是以扣式、方形、圆柱形等为主。

激光切割，则能够促使锂电池自身性能得到大幅度提升。激光切割技术工艺，其对锂离子电池极耳的切割质量及其效率有着直接影响。针对激光切割技术工艺而言，只要合理调整好相应工艺参数，可促使毛刺现象发生率降低，并确保产品更具精度性。现有部分研究者选取三层复合性锂离子电池当中负极的极片材料作为研究对象，对纳秒脉冲式激光扫描下极片切割技术工艺开展深入研究后发现，锂离子电池的极片切割可达到相对较高效率及质量；还有部分研究者通过观察分析铜箔、石墨层及负极复合型材料整个切割形貌，对超快式激光切割锂离子电池负极作业机制开展分析后发现，负极材料超快式激光切割作业大部分实行的是气化切割[2]。实际落实切割作业过程当中，铜箔切割作业机制主要是快速实现热熔化及热气化、相爆炸等作用，石墨层直接被激光束辐照，受激光能量影响，被予以逐步气化切除掉。电池电极受脉冲激光持续辐射，以1m/s、500mm/s、100mm/s速度，获取到12个激光作业参数组相应切口深度，表明了更短脉冲及波长、更高速度条件之下，切割作业效率可明显提高。对此，对锂离子电池当中正负极片的纳秒脉冲式激光切割全新技术工艺开展深入探究工作，提出关于端面及正面毛刺、热影响等均值，对切割极耳整个形貌特征做出判断分析，便于获取最佳切割作业效果。那么，针对锂离子电池的纳秒脉冲式极耳切割过程当中，锂电材料热传递层面，因被加工的材料和激光作业模式存在差异性，故加工过程当中所颤抖的光化学层面作用及热作用也有差异性存在。纳秒脉冲式激光加工存在差异性，如加工对象为锂电的极耳材料情况之下，会产生较为明显的飞溅物及烧灼痕迹，且多为热作用。纳秒激光之下，材料吸收纳秒激光过程及内部热传递过程，均遵循着热力学定律。针对材料传热具体方式上，现阶段以辐射、对流、传导为主。激光束持续照射至极耳材料整个表面部位，激光加热整个过程当中热传导的微分方程及其材料温度列式，即；

、α=k/cp

该列式当中，A代表单位时间范围单位体积实际所释放热量，其与时间、坐标存在关联性；k代表导热系数；cp代表容积的热容系数；α代表导温系数；T代表x、y、z坐标与时间t实际函数。纳秒脉冲总体能量被均匀分布至空间当中，时间则处于高斯分布状态，可借助I（t）=

、列式，可将脉冲功率实际密度时间分布描述出来。该列式当中，代表高斯函数实际标准偏差；w代表脉冲宽度；t0代表脉冲峰值具体时间；代表脉冲能量实际密度；代表脉冲峰值实际功率密度。激光束较低能量情况下，无法将材料切断，能量倘若过于高，则材料会被氧化，促使热影响区逐渐形成[3]。纳秒脉冲式激光切割作业，其脉冲宽度、重复频率及峰值功率等均会给出。脉冲宽度与峰值功率乘积为脉冲能量、脉冲能量与重复频率乘积为平均功率。脉冲的重复频率上限和所能接受重叠，决定着切割作业速度。重叠度确定下来后，激光脉冲实际充分频率将对加工速度起着一定决定作用，越高的重复频率，则加工作业速度就相对较快。针对锂电材料的激光切割作业整个热影响区，这里所指热影响区属于加工作业期间，沿激光作业切口周围区域加热处理，致使金属结构有变化产生，此变化产生之后，金属硬化情况出现。由于存在着一定热影响区，故不利于更好地开展激光切割作业，特别是会极大地影响着金属表面和边缘部位实际光滑程度等。对锂离子电池极耳开展激光切割作业期间，整个热影响区的金属会有硬化情况出现，金属边缘部位还会有腐蚀及凹陷情况出现。精密切割作业期间，锂电材料的切割作业导热基础模型，可以=列式表述出来。该列式当中，t代表作用时间；C代表比热容；p代表材料密度；代表导热系数；代表材料实际导热长度。锂电极片的激光切割作业，主要需通过表面部位粉尘和毛刺、热影响区等予以表征、判断分析[4]。

2、纳秒脉冲式激光切割全新技术工艺与其特征的试验分析

2.1材料设备选取

此次针对锂离子电池当中正负极片的纳秒脉冲式激光切割全新技术工艺与其特征层面试验分析，所选取材料以阳极石墨、铝箔、铜箔等材料为主。铝箔材料厚度为12μm，导热性为237W/（m·k），密度为2.70g/cm³，熔点与沸点各为660℃、2327℃；铜箔材料厚度为8μm，导热性为401W/（m·k），密度为8.96g/cm³，熔点与沸点各为1083℃、2562℃。锂电极耳的切割系统，内设振镜式切割头、纳秒激光装置、操作台、光路系统、CCD视觉及除尘系统等。激光脉宽设定50 ns，波长设定1064 nm，功率设定200W，且重复频率设定0.4~20MHz，借助显微镜来对扫描深度及其热影响区进行观测[5]。切割作业质量影响因素，除激光功率、频率和波形外，还包含着光斑搭接率及单脉冲的能量等；SPI-200W型号脉冲激光装置，其有着高峰值功率及脉冲能量，且对光斑尺寸影响降到最小程度，SPI-200W内含波形为20多种，结合应用对象，实现不同波形选择。借助SPI-200W型号激光装置的W29、W11、W5典型的3种波形，各项参数设置情况，即W29波形脉冲宽度设定61ns、单脉冲最大能量设定1.03mJ、中心频率设定200kHz、最大峰值实际功率设定10kW；W11波形脉冲宽度设定38ns、单脉冲最大能量设定0.48mJ、中心频率设定430kHz、最大峰值实际功率设定9kW；W5波形脉冲宽度设定47ns、单脉冲最大能量设定0.65mJ、中心频率设定320kHz、最大峰值实际功率设定9kW。

2.2结果及分析

2.2.1在铜箔类型材料切割层面

结合此次试验当中所选定波形和各项参数实施切割作业，每个参数均要求切割2片，对端面毛刺实际均值和热影响进行统计分析，针对W11波形，其激光切割作业过程当中，铜箔速度为4000mm/s，且切割铜箔部位毛刺长度为50～150μm。以SPI200W各种不同频率为基础实施激光切割作业情况之下，针对11号波形，其激光切割作业过程当中，铜箔切割速度为4 000mm/s，借助显微镜对极片正面及端面实施扫描后，对切割特征实施观察后，获取切割作业形貌特征图，详见图1。结合图1当中（a）～（b）所显示W11号整个波形为430 kHz，激光切割作业速度为4000mm/s，借助显微镜对极片正面与其端面实施扫描；图1当中（c）～（d）所显示W11号的波形为800kHz，激光切割作业速度为4000mm/s，借助显微镜对极片正面及端面实施扫描，11号波形中心频率产生了严重的氧化现象，高频或低频之下氧化现象有所好转，这是因低频情况之下，单脉冲呈较高能量，则激光光斑呈较低搭接；高频情况之下，单脉冲则呈较低能量[6]。

图1铜箔材料切割作业形貌特征示意图

2.2.2在铝箔类型材料切割层面

同样是结合此次试验当中所选定波形和各项参数，规范化开展激光切割作业，且要求各参数均切割2片，对正面及端面毛刺实际均值、热影响均值进行统计分析。激光频率和波形对于激光切割作业质量所产生影响情况，详见图2。频率为500kHz，且激光切割作业速度为4000mm/s条件之下，可达到最为明显的激光切割作业效果，激光切割作业毛刺长度为10～20μm。选取SPI200W不同的频率实施激光切割作业之下，W5号波形为38ns，激光切割作业速度为4 000mm/s，借助显微镜对极片正面与其端面实施扫描观察后，获取切割作业基本的形貌特征，详见图3。从图3可了解到，不同频率条件之下，切缝表面部位差异明显。图3当中的（a）～（b）显示W5号的波形为200kHz，激光切割作业速度为4000mm/s，借助显微镜对极片正面与其端面实施扫描观察；图3当中的（c）～（d）显示W5号的波形为430kHz，激光切割作业速度为4000mm/s，借助显微镜对极片正面与其端面实施扫描观察后了解到，200kHz条件之下可见平面毛刺及热影响区飞溅现象存在；430kHz条件之下，则可见熔边及端面毛刺。处于一定激光切割速度条件之下，越大频率，搭接率则就相对越高。此外，越高的搭接率之下，输入能量就相对越多，则熔边现象更易产生

[7]。

图2激光频率和波形对于激光切割作业质量所产生影响情况曲线图

图3铝箔材料切割作业形貌特征示意图

2.2.3在阳极石墨类型材料切割层面

对于阳极石墨类型材料，选取SPI-200W的激光切割装置，不同频率条件之下，阳极石墨的激光切割技术操作期间，各参数均要求切割2片，对端面毛刺实际均值和热影响进行统计分析，针对W29波形当中，阳极石墨实际切割速度为1000mm/s，激光切割铜箔类型材料的毛刺长度为50~150μm，而激光切割阳极石墨类型材料毛刺长度则为30~85μm。开展石墨切割作业过程当中，确保切断前提基础上，并不会极大地影响着激光切割作业总体质量[8]。图4当中（a）～（b）显示W29号波形为200kHz，激光切割作业速度为4000mm/s，借助显微镜对极片正面与其端面实施扫描观察；图4当中（c）～（d）显示W29号的波形为320kHz，激光切割作业速度为1000mm/s，同样是借助显微镜对极片正面与其端面实施扫描观察。那么，结合由图4可了解到，不同频率条件之下，激光切割作业过程当中，切缝表面存在着变化情况，切割特征集中表现是平面部位存在毛刺及热影响，此次试验结果最终表明了纳秒脉冲式激光切割作业波形、速度、频率等，均会极大地影响着整个的切缝特征。

图4不同频率条件之下阳极石墨类型材料切割作业总体形貌情况示意图

3、结语

综上所述，此次围绕着锂离子电池当中正负极片的纳秒脉冲式激光切割全新技术工艺与其特征所开展实践分析，进一步了解了如激光波形、切割速度及重复频率等不同纳秒脉冲的激光切割作业参数，其对于激光切割作业质量所产生影响情况，并创新提出了以平面及端面部位毛刺均值、热影响等，对锂离子电池当中正负极片的纳秒脉冲式激光切割作业质量实施判断分析，最终结果则表明了纳秒脉冲式激光切割作业波形、速度、频率等，均极大地影响着切缝特征各项参数。同时，建立了纳秒脉冲式激光切割作业速度、波形、脉冲频率及其宽度等，对于激光切割作业当中切缝特征实际影响规律，获取工艺参数最优范围，帮助锂电制造整个行业有效解决现存极片制造总体精度及效率层面难题，便于今后能够高效率化及高精度化地开展极片的激光切割作业。

参考文献：

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