導(dǎo)語(yǔ)

鋰離子電池已成為從手機(jī)、筆記本電腦到電動(dòng)汽車(chē) (EV) 等眾多應(yīng)用的首選儲(chǔ)能介質(zhì)。不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)電池特性和成本有著特定需求：相比于便攜式電子產(chǎn)品中使用的電池，電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電池的能量密度、充電周期時(shí)間、工作溫度范圍和機(jī)械耐久性等性能，都提出了更高要求。為了滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，電動(dòng)汽車(chē)制造商正在全力提升電池的可靠性和性能，同時(shí)也在努力降低成本。

實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要密切審視電池制造的各個(gè)環(huán)節(jié)，其中電極箔切割尤為關(guān)鍵，因?yàn)樗�通常代表著鋰離子電池生產(chǎn)中的一個(gè)瓶頸環(huán)節(jié)。而且，加快箔材切割速度可以降低生產(chǎn)成本。

多層電池箔通常采用卷對(duì)卷工藝制造

然而，電極切割工藝的成本下降和產(chǎn)能提升，絕不能以犧牲質(zhì)量為代價(jià)。特別是任何新工藝都不得產(chǎn)生碎屑或引發(fā)熱損傷，因?yàn)檫@些缺陷可能導(dǎo)致電池性能衰減或隨時(shí)間推移引發(fā)安全隱患。

超短脈沖 (USP) 激光技術(shù)憑借其獨(dú)特的切割特性脫穎而出，完美地契合了電池制造的切割需求，即切割精度高、熱影響區(qū)小且污染少。但是這種方法仍然存在一個(gè)重要挑戰(zhàn)：加工效率低。若要將 USP 激光器應(yīng)用于大規(guī)模電池制造產(chǎn)線(xiàn)中，必須要在不犧牲切割質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)切割速度的最大化。

鋰離子電池生產(chǎn)

鋰離子電池采用分層結(jié)構(gòu)，主要包含四大核心組件：陰極電池箔、陽(yáng)極電池箔、隔膜材料和電解液。電池箔由金屬基材（陰極通常為鋁，陽(yáng)極通常為銅）和涂覆在基材兩側(cè)的活性材料構(gòu)成。

這些多層電池箔通常采用卷對(duì)卷工藝制造（見(jiàn)圖 1）。首先，對(duì)裸鋁或銅集流體箔材進(jìn)行涂覆、干燥和壓延（通過(guò)在兩個(gè)硬輥之間壓縮，以實(shí)現(xiàn)特定的厚度、密度和表面光滑度）。

圖1：卷對(duì)卷鋰離子電池電芯生產(chǎn)的工藝步驟，其中黃色突出顯示的是激光加工環(huán)節(jié)。（圖片來(lái)源：MKS Spectra-Physics®）

Electrode Foil：電極箔

Foil Coating：箔材涂覆

Foil Slitting：箔材分切

Foil Cutting & Notching：箔材切割&極耳切割/開(kāi)槽

Tab Cleaning：極耳清洗

Separator Foil Cut：隔膜切割

Cell Stacking/ Winding：電芯疊片/卷繞

Tab Welding：極耳焊接

Packaging：封裝

Electrolyte Filling：電解液注入

Sealing：密封

Aging：老化

Degassing：除氣

Test & Sorting：測(cè)試與分選

Quality Control：質(zhì)量控制

箔材涂覆的最終產(chǎn)物是連續(xù)的長(zhǎng)片電極，并卷成“母卷”（寬度為多個(gè)電極的寬度），然后再將母卷切割成與成品電極寬度相近的“子卷”，這一工藝過(guò)程稱(chēng)為 “分切”。

子卷經(jīng)過(guò)額外清潔步驟后，將從子卷上切割出單個(gè)電極的最終形狀。這一成型過(guò)程通常包含兩道獨(dú)立工序：

（1）定長(zhǎng)裁切：垂直于卷材行進(jìn)方向切割，確定電極最終長(zhǎng)度；

（2）極耳成型：通過(guò)切割形成導(dǎo)電連接片（用于后續(xù)電池組裝與封裝中的電氣連接）。

切割工藝

對(duì)于分切、箔材切割和極耳切割，每道工序都有著各自不同的切割要求，可以使用不同的切割技術(shù)來(lái)完成。分切的要求通常較為寬松，可以使用機(jī)械旋轉(zhuǎn)刀完成，但也有部分制造商會(huì)使用激光來(lái)分切敏感材料。

如今，許多制造商采用模具沖壓的方法進(jìn)行箔材切割和極耳切割，但是模具沖壓也存在諸多問(wèn)題，包括：靈活性差（切割形狀固定）、容易產(chǎn)生邊緣毛刺且邊緣質(zhì)量不一致、可能導(dǎo)致箔材起皺和涂層剝離。其最大的缺點(diǎn)是機(jī)械模具磨損快，大約經(jīng)過(guò) 5000 次沖壓循環(huán)后就需要更換模具；而更換模具會(huì)導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)和高昂的耗材成本。因此，大多數(shù)電池制造商都在尋找替代模具沖壓的方法。

納秒脈沖光纖激光器以及其他納秒和連續(xù)波 (CW) 激光器已經(jīng)廣泛用于電極箔片的裁切和極耳切割。光纖激光器特別適合切割銅陽(yáng)極，因?yàn)殂~的高導(dǎo)熱性可以有效散去光纖激光切割產(chǎn)生的熱量。

但是使用脈沖和連續(xù)波光纖激光器切割，采用的是熱切割機(jī)制，切割過(guò)程會(huì)引入不必要的熱量，從而導(dǎo)致熔化、顆粒產(chǎn)生和邊緣不規(guī)則，進(jìn)而影響電池的性能或安全性，即使切割銅陽(yáng)極也不例外。

當(dāng)切割鋁陰極時(shí)，這一問(wèn)題更為突出：因?yàn)殇X的導(dǎo)熱性較低，切割邊緣周?chē)鷷?huì)積聚更多熱量，導(dǎo)致熱影響區(qū) (HAZ) 過(guò)大，這可能造成涂層損壞和涂層回縮（切割周?chē)鷧^(qū)域的涂層從邊緣退縮，露出裸箔，見(jiàn)圖 2）。涂層回縮會(huì)引發(fā)諸多問(wèn)題：首先，它減少了電極的活性面積，這會(huì)直接降低電池的總存儲(chǔ)容量和輸出功率；其次，會(huì)增加電分流的可能性，可能導(dǎo)致內(nèi)部短路、可靠性下降、熱失控或火災(zāi)。

圖 2：涂層回縮時(shí)，涂層會(huì)脫層并從切割邊緣退縮，裸露出下方的金屬箔。（圖片來(lái)源：MKS Spectra-Physics）

Laser：激光

Coating pull-back：涂層回縮

此外，使用光纖激光切割鋁時(shí)更容易產(chǎn)生顆粒（碎屑），并形成重鑄材料和邊緣珠。盡管在銅切割時(shí)也可能出現(xiàn)這些問(wèn)題，但出現(xiàn)的頻率卻低得多。污染物可能不會(huì)立即顯現(xiàn)，但會(huì)影響疊片、極耳焊接或電解液注入等后續(xù)工序。

大多數(shù)脈沖激光在極耳切割過(guò)程中還存在一個(gè)更微妙的問(wèn)題：由于極耳切割涉及切割帶有多個(gè)拐角的復(fù)雜形狀，而由于控制激光束位置的掃描振鏡存在慣性，激光束在拐角處會(huì)顯著減速；此時(shí)如果激光器維持固定的重復(fù)頻率，則將導(dǎo)致脈沖重疊區(qū)域急劇擴(kuò)大。為了避免這一問(wèn)題，需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整脈沖輸出的重復(fù)頻率，這一功能通常稱(chēng)為“按需脈沖”。

USP 激光的優(yōu)勢(shì)

使用傳統(tǒng)的機(jī)械或熱方法解決這些問(wèn)題的任何嘗試，都不可避免地需要在速度與質(zhì)量、或是工藝成本與電池長(zhǎng)期可靠性之間做出權(quán)衡。但是USP 激光（皮秒或飛秒脈沖寬度）可以避免這些權(quán)衡，因?yàn)槠洳捎玫氖峭耆�不同的材料去除機(jī)制。

USP 激光與材料的相互作用有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：首先，超短脈沖產(chǎn)生的極高峰值功率會(huì)在許多材料內(nèi)激發(fā)非線(xiàn)性吸收，這可以直接破壞分子鍵并通過(guò)等離子體形成去除材料，從而實(shí)現(xiàn)高效燒蝕。

其次，USP 激光加工的獨(dú)特之處還在于極短的脈沖持續(xù)時(shí)間。其能量傳遞時(shí)間短于熱化電子轉(zhuǎn)化為體材料熱量（電子-聲子耦合）的時(shí)間，材料可以在幾乎沒(méi)有殘余熱量產(chǎn)生的情況下被燒蝕去除，這可以減少或消除大多數(shù)材料加工中的熱影響區(qū)形成。

USP 激光可以為各種電池箔制造工藝提供近乎理想的切割效果，實(shí)現(xiàn)光滑、無(wú)毛刺的切割邊緣，同時(shí)最大限度地減少涂層回縮。USP 激光切割還能減少碎屑和重鑄材料的產(chǎn)生，降低污染風(fēng)險(xiǎn)并提高后序工藝的良率。

實(shí)用的 USP 激光切割

既然 USP 激光在電池箔切割應(yīng)用中具有諸多優(yōu)勢(shì)，為什么它尚未被業(yè)界普遍采用呢？原因很簡(jiǎn)單，USP 激光器通常比脈沖光纖激光器成本更高，并且切割速度更慢。這兩者中產(chǎn)能問(wèn)題更為關(guān)鍵，因?yàn)閷?duì)于電池制造商而言，如果資本支出能夠顯著提高加工的良率、質(zhì)量和產(chǎn)品可靠性，那么他們寧愿接受更高的資本支出。

因此最終的問(wèn)題變?yōu)椋菏欠裼修k法加快 USP 激光切割電池箔的速度，以達(dá)到市場(chǎng)所需的水平（通常為 1~2 m/s）？MKS Spectra-Physics® 應(yīng)用開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)測(cè)試回答了這一問(wèn)題，并特別探索了脈沖時(shí)間定制（即脈沖串模式）是否能在不犧牲質(zhì)量的前提下提高速度。

當(dāng) USP 激光以脈沖串模式運(yùn)行時(shí)，單個(gè)高能脈沖被細(xì)分為一組間隔緊密的低能子脈沖。雖然這些子脈沖群（即脈沖串）之間的時(shí)間間隔等于激光發(fā)射的整體重復(fù)頻率（數(shù)百 kHz 至 MHz 范圍），但是脈沖串內(nèi)子脈沖的重復(fù)頻率可達(dá)數(shù)十 MHz。脈沖串模式下子脈沖的總能量（和激光平均功率），也與單脈沖模式相同。例如，如果激光以 1 MHz 的重復(fù)頻率產(chǎn)生 200 µJ 的單脈沖（平均功率 200 W），那么由 8 個(gè)子脈沖組成的脈沖串（脈沖串的整體重復(fù)頻率仍為 1 MHz），每個(gè)子脈沖的能量降為 25 µJ。使用超短脈沖燒蝕時(shí)，相對(duì)較低的能量密度（單位面積能量）通常效果更好并且更節(jié)能，而脈沖串加工在應(yīng)用激光全部平均功率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。

測(cè)試使用的激光器是 MKS Spectra-Physics® 的 IceFyre® FS IR200 飛秒激光器。該激光器可提供超過(guò) 200 W 的平均功率，重復(fù)頻率范圍從單發(fā)脈沖到 50 MHz，輸出波長(zhǎng)為 1030 nm。該激光器實(shí)現(xiàn)了一種先進(jìn)的 TimeShift 脈沖串模式控制，可以精確控制脈沖串內(nèi)每個(gè)子脈沖的時(shí)間間隔和相對(duì)能量，還支持按需脈沖操作以滿(mǎn)足最佳質(zhì)量的高速極耳切割要求。

測(cè)試中使用該激光器分別切割了陰極材料和陽(yáng)極材料。陰極材料為 17  µm厚的鋁箔，兩側(cè)涂有 NMC（鋰鎳錳鈷氧化物）涂層（總厚度約 100 µm）；陽(yáng)極材料為約 10 µm 厚的銅箔，兩側(cè)涂有石墨（總厚度約 98 µm）。

在脈沖串加工測(cè)試中，激光脈沖重復(fù)頻率 (PRF） 固定在 200 kHz，分別測(cè)試了脈沖串中包含 10~80 個(gè)子脈沖的切割效果。另外，也測(cè)試了單脈沖在不同 PRF 下的切割效果，以確定最佳切割條件并設(shè)定比較基準(zhǔn)。評(píng)估切割效果的指標(biāo)包括最大切割速度和涂層回縮程度。

圖3中給出了切割速度的測(cè)試結(jié)果，圖中清楚地表明，除了脈沖串中含有極少數(shù)量的子脈沖情況，脈沖串模式的切割速度均超過(guò)了單脈沖的切割速度。使用含有80個(gè)子脈沖的脈沖串時(shí)，切割陽(yáng)極和陰極的峰值速度分別達(dá)到了 2.2 m/s 和 2.8 m/s，比單脈沖的切割速度分別提高了 57% 和 75%。這表明 USP 激光能夠以商業(yè)上可行的速度切割陰、陽(yáng)兩種電極。

圖3：陰、陽(yáng)兩種電極箔材在不同脈沖串模式下的凈切割速度與子脈沖數(shù)的關(guān)系；單脈沖的最佳切割速度以水平虛線(xiàn)表示。

（圖片來(lái)源：MKS Spectra-Physics）

通過(guò)測(cè)量?jī)煞N箔材在每組切割參數(shù)下的涂層回縮情況，來(lái)評(píng)估切割質(zhì)量。圖 4 中對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了量化。

圖4：陰極和陽(yáng)極箔材的涂層回縮與脈沖串中子脈沖數(shù)的關(guān)系。

（圖片來(lái)源：MKS Spectra-Physics）

對(duì)于這兩種箔材，與單脈沖切割相比（最左側(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)），用含有 10 個(gè)子脈沖的脈沖串切割時(shí)，回縮量開(kāi)始增加；但隨著脈沖串中子脈沖數(shù)量的增加，回縮量開(kāi)始減少。對(duì)于陽(yáng)極箔材，在所有測(cè)試條件中，單脈沖切割的回縮量最��；而用含有 20 個(gè)子脈沖的脈沖串切割時(shí)，切割速度比單脈沖快得多，回縮量比單脈沖略微增大。

獲取切割邊緣的光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡 (SEM) 圖像，以進(jìn)一步檢查切割質(zhì)量并且可視化金屬涂抹、碎屑產(chǎn)生等問(wèn)題。圖 5 和圖 6 分別顯示出了陽(yáng)極和陰極箔材的切割質(zhì)量。

圖 5：陽(yáng)極電池箔在用單脈沖到含有80個(gè)子脈沖的脈沖串切割的情況下，切割邊緣的光學(xué)顯微鏡圖像和 SEM 圖像。

（圖片來(lái)源：MKS Spectra-Physics）

圖 6：陰極電池箔在用單脈沖到含有80個(gè)子脈沖的脈沖串切割的情況下，切割邊緣的光學(xué)顯微鏡圖像和 SEM 圖像。

（圖片來(lái)源：MKS Spectra-Physics）

對(duì)于陽(yáng)極切割質(zhì)量，光學(xué)顯微鏡圖像顯示，用含有 40 個(gè)和 80 個(gè)子脈沖的脈沖串切割，銅箔表面更清潔，碎屑和/或氧化更少。SEM 圖像顯示，在任何測(cè)試條件下幾乎沒(méi)有金屬涂抹，使用含 40 個(gè)子脈沖的脈沖串的切割結(jié)果看起來(lái)特別干凈，這也與最大切割速度的穩(wěn)定階段相吻合。

對(duì)于陰極箔，增加脈沖串子脈沖數(shù)量的影響更難評(píng)估。單脈沖工藝存在明顯的涂抹現(xiàn)象，而含有 10 個(gè)和 20 個(gè)子脈沖的脈沖串切割的涂抹情況有顯著的持續(xù)改善。含 40 個(gè)和 80 個(gè)子脈沖的脈沖串切割的涂抹量似乎在繼續(xù)減少。這些圖像的對(duì)比度較低，難以準(zhǔn)確判斷涂抹程度。總體趨勢(shì)是，隨著脈沖串中子脈沖數(shù)量的增加，箔材邊緣質(zhì)量保持穩(wěn)定或略有提升，涂層回縮現(xiàn)象顯著減少。

人們普遍認(rèn)為，在各種切割和燒蝕應(yīng)用中，USP 激光與其他類(lèi)型的激光及非激光替代技術(shù)相比，能夠提供更優(yōu)異的加工質(zhì)量。但 USP 激光加工也被認(rèn)為速度慢且成本高，因此僅適用于高價(jià)值應(yīng)用中要求最嚴(yán)苛的工藝。

我們的研究結(jié)果表明，當(dāng) USP 激光器采用脈沖串模式運(yùn)行時(shí)（尤其是通過(guò) TimeShift 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高度靈活模式），涂層電池箔的量產(chǎn)切割將變得切實(shí)可行且具有經(jīng)濟(jì)性。該測(cè)試表明，單次切割速度可超過(guò) 2 m/s，并且 USP 激光器在涂層回縮和碎屑生成等對(duì)電池行業(yè)非常關(guān)鍵的指標(biāo)方面，均能保證高質(zhì)量切割效果。

文章信息

本文刊載于LASER FOCUS WORLD®

作者：Jim Bovatsek，MKS Spectra-Physics

轉(zhuǎn)自：MKS 光電解決方案

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