锂离子电池极片的纳秒脉冲激光切割工艺
引言
传统的模切锂离子电池极耳容易导致毛刺和粉尘，影响电池的性能和使用寿命。激光切割可以大大提高锂电池性能。激光切割工艺直接影响极耳切割效率与切割质量。研究激光切割工艺，通过改变工艺参数实现降低毛刺，提高产品精度。2005年，魏思明研究了激光切割机加工质量分析与控制分析激光切割的加工原理，以及影响加工质量的诸多因素，阐述如何控制提高加工质量的方法。针对锂离子电池极片激光切割机制，2013年，Lee D等建立了激光与极片材料相互作用的模型，对激光切割锂电池极耳试验研究，模拟了激光切割极耳时间、深度和烧蚀阀值，并通过光纤激光切割极片的试验验证了模型的合理性。P fleging W研究激光切割锂离子石墨阳极工艺。2014年，Demir AG等采用红外激光和绿激光切割锂离子电池极片，分析了两种加工条件对切割边缘宽度的影响。Lee等从试验上对激光高速远程切割极片的激光功率和切割速度等关键参数进行了优化，获得了可接受的切割质量。针对锂离子动力电池的激光切割质量，邓永丽等使用不同波长和脉宽的激光器进行切割试验，结果表明极片的切割质量与激光脉宽呈负相关。2019年，晏一菓以三层复合锂离子电池负极极片材料为对象，开展纳秒脉冲激光扫描切割极片的研究。李建相研究观察石墨层、铜箔和负极复合材料的切缝形貌，分析超快激光切割负极的机制。研究表明负极材料的超快激光切割机制以气化切割为主。切割过程中，铜箔切割机制是快速热气化、热熔化和相爆炸的共同作用，被激光束直接辐照的石墨层在激光能量的作用下被气化切除。电池电极在连续脉冲激光辐射下，以100 mm/s、500 mm/s和1 m/s的速度获得12个激光参数组的切口深度。
研究表明：更短的脉冲、更高的速度和更短的波长可提高切割效率。基于此，本文研究锂离子电池正负极片纳秒脉冲激光切割新工艺，提出热影响、正面毛刺、端面毛刺的平均值来判断切割极耳的形貌特征，并通过实验获得较好的切割效果。
1．纳秒脉冲激光切割极耳机理
纳秒脉冲激光切割锂电材料的热传递如图1所示，根据被加工材料以及激光工作模式的不同，热作用和光化学作用在加工中所起作用的程度不同。纳秒脉冲激光加工各不相同，例如在用锂电极耳材料做加工对象时，烧蚀痕迹和飞溅物明显，热作用占主导。
图1 锂电材料激光切割的热传递模型
在纳秒激光作用下，材料吸收激光的过程和随后往内部传递热能的过程也遵守热力学的基本定律。材料包含传导、对流和辐射三种传热方式。激光束照射到极耳材料表面，在激光加热过程中热传导微分方程和材料温度如下：
式中：T为温度，是坐标x、y、z和时间t的函数；α为导温系数；cP为容积热容系数；k为导热系数；A为单位时间内单位体积所放出的热量，与坐标和时间有关。
纳秒脉冲能量在空间上均匀分布，时间呈高斯分布，并使用如下函数形式描述脉冲功率密度在时间上的分布：
式中：I0为脉冲峰值功率密度；Qs为脉冲能量密度；t0为脉冲峰值时间。w是脉冲宽度（FWHM）；σ为高斯函数的标准偏差。
激光束能量较低时，无法切断材料，但过高的能量引起材料氧化，形成热影响区。纳秒脉冲激光一般会给出脉冲宽度、峰值功率和重复频率：脉冲能量=峰值功率×脉冲宽度；平均功率=脉冲能量×重复频率。切割速度由脉冲重复频率的上限及可接受的重叠共同决定。在确定了重叠度后，激光脉冲重复频率直接决定了加工速度，重复频率越高，加工速度越快。
图2所示为锂电材料激光切割的热影响区，热影响区域是指在加工过程中，沿着激光切口附近的区域被加热，导致了金属的结构发生一定的变化，这种变化会导致金属产生硬化的现象。热影响区域的存在对于激光切割来说比较不利，尤其是对于金属表面以及边缘的光滑程度会产生不良影响。
图2 激光切割的热影响区
激光切割锂电池极耳的热影响区域会导致金属硬化外，也会导致金属边缘出现凹陷和腐蚀等现象。在精密切割加工过程中，锂电材料切割导热模型表述如下：
式中：Δh为材料导热长度；λ为导热系数；ρ为材料密度；C为比热容；t为作用时间。激光切割特征及性能判断如表1所示。锂电极片激光切割通过热影响区、毛刺、表面粉尘来表征和判断。
表1 切割特征及性能判断
2．试验方案及实验材料
2.1 实验设备
锂电极耳切割系统由纳秒激光器、振镜切割头、光路系统、工作台、除尘系统、CCD视觉系统等组成。参数如表2所示，激光波长为1064 nm，脉宽为50 ns，功率为200 W，重复频率为0.4～20 MHz，实验采用显微镜观测扫描深度和热影响区。
表2 纳秒脉冲激光切割设备参数
2.2 实验材料
实验材料为铜箔、铝箔、阳极石墨等，试验材料如表3所示。
表3 试验材料
影响切割质量的主要因素有激光功率、单脉冲能量、光斑的搭接率、激光波形及频率等；SPI-200W脉冲激光器具有高的峰值功率和脉冲能量，同时最小程度影响光斑尺寸，SPI-200W有20多种波形，根据应用对象，可以选择不同的波形。选取SPI-200W激光器3种典型的波形W5、W11、W29，参数如表4所示。
表4 激光波形参数
3．试验分析
根据实验方案所选定的波形及参数进行切割，每个参数切割2片，统计其热影响、正面毛刺、端面毛刺的平均值，激光频率与波形对切割质量的影响如图3所示，当在频率500 kHz，切割速度4000 mm/s，切割效果最为明显，切割毛刺长度在10～20μm。
图3 激光频率与波形对切割质量的影响
采用SPI200W不同频率切割，W5号波形，38 ns，切割速度4000 mm/s，通过显微镜扫描极片正面、端面，切割形貌特征如图4所示。
图4 铝箔切割质量对比
由图可见，不同频率下其切缝表面有明显的不同。图4（a）～（b）是在W5号波形，200 kHz，切割速度4000 mm/s，通过显微镜扫描极片正面、端面；图4（c）～（d）是在W5号波形，430 kHz，切割速度4000 mm/s，通过显微镜扫描极片正面、端面，如在200kHz下时主要表现为平面毛刺和热影响（飞溅），而在430 kHz时主要表现为熔边和端面毛刺。在切割速度一定的情况下，频率越大，搭接率越高。搭接率越高，输入能量越多越容易产生熔边。
3.2 铜箔切割对比
根据实验方案所选定的波形及参数进行切割，每个参数切割2片，统计其热影响、端面毛刺的平均值，W11波形，切割铜箔速度4000 mm/s，切割铜箔毛刺长度在50～150μm。
图5 铜箔激光频率与波形对切割质量影响
采用SPI200 W不同频率切割，11号波形，切割铜箔速度4000 mm/s，通过极片正面、端面观察切割特征，切割形貌特征如图6所示。
图6 铜箔激光切割质量对比
从图中分析，图6（a）～（b）是在W11号波形，430kHz，切割速度4 000 mm/s，通过显微镜扫描极片正面、端面；图6（c）～（d）是在W11号波形，800kHz，切割速度4000mm/s，通过显微镜扫描极片正面、端面，采用11号波形时，在中心频率氧化最为严重，低频或高频时氧化现象稍好一些。其主要原因是，低频时即使单脉冲能量较高但激光的光斑搭接较低，而在高频时单脉冲能量较低。
3.3 阳极石墨切割对比
针对阳极石墨材料，采用SPI-200W激光切割，不同频率下阳极石墨激光切割工艺如图7所示，每个参数切割2片，统计其热影响、端面毛刺的平均值，W29波形，切割阳极石墨速度1000 mm/s，切割铜箔毛刺长度在50～150μm，切割阳极石墨毛刺长度在30～85μm。
图7 不同频率下阳极石墨激光切割工艺
石墨切割在保证切断的前提下，切割质量无较大的影响。图8（a）～（b）是在W29号波形，200 kHz，切割速度4000 mm/s，通过显微镜扫描极片正面、端面；图8（c）～（d）是在W29号波形，320 kHz，切割速度1 000 mm/s，通过显微镜扫描极片正面、端面。由图8可见，不同频率下其切缝表面有变化，切割特征主要表现为平面毛刺和热影响，试验结果表明，纳秒激光波形、激光频率与激光切割速度对切缝特征影响较大。
图8 不同频率下阳极石墨激光切割形貌
4．结束语
通过对铜箔、铝箔、石墨的激光切割试验，探讨其纳秒脉冲激光切割新工艺。分析不同的纳秒脉冲切割参数如激光波形、重复频率、切割速度等对切割质量的影响。创新提出采用热影响、平面毛刺、端面毛刺的平均值来判断纳秒激光切割锂电池极耳的质量。结果表明，纳秒激光波形、激光频率与激光切割速度对切缝特征参数的影响较大。建立了激光波形、激光切割速度、脉冲频率与脉冲宽度对切缝特征的影响规律，得到了较优的工艺参数范围，解决目前锂电制造行业极片制造的效率与精度难题，为激光切割极片提供理论与工艺支撑。
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