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锂电池极片激光分切解析及影响因素.pdf

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极片切割类型 多孔电极经过涂布及辊压后，需极片切割才能达到所需的 设计结构。目前，极片切割主要具有三种方式：（1）圆盘 分切；（2）模具冲压；（3）激光切割； 圆盘分切和模具的传统冲切方式，都是使用刀具或模具， 利用材料受力后的塑性变形，产生裂缝后相互分离的原理来 裁切极片。这两种方式对于刀具或模具在强度、刚度以及精 度方面都提出了很高的要求。对于切割后形成的切口，一般 会出现毛刺或挂渣等问题。由于切割过程为接触过程，电极 的涂层摩擦力较大，会导致接触工具磨损增加，模具钝化， 因而模具需要重新研磨甚至更换； 相对于传统切工工艺，激光工艺十分灵活，可以轻松调整 不同的几何形状，对于不同的产品无需制作新的切割模具， 可以应对上述刀具或模具所带来的劣势。 使用激光来切割具有以下优势： 第一，切割边缘毛刺可以稳定控制在0.01mm之内； 激光切割只需要一次性成本投入，在后续生产过程 中及换型时，没有换刀换模成本，因此计算长期成本来讲， 采用激光制片反而会降低生产成本； 第三，激光切割没有加工应力，不会引起边缘掉粉脱落。 激光切割极片切割仍然具有很多不足： 第一，极片切割所采用的高性能激光器价格昂贵，因此即 使计算长期成本低，但一次性投入偏大，大部分企业还是不 愿意接受； 第二，激光切割会产生碳化边缘（又称热影响区域），因 为是利用高密度激光能量进行切割，在切断极片的同时不可 避免的会产生一定程度的碳化边缘，负极材料还会产生一定 的露铜现象，但热影响区域可以控制在0.1mm之内,露铜露 铝可以控制在0.03mm之内； 第三，激光切割过程中会产生大量的粉尘，粉尘的收集和 处理是一个相当大的难题； 激光切割原理 激光在极片表面的吸收、透射与反射事实上为激光光波产 生的磁场与其表面物质相互产生作用的过程，材料受到光辐 照，其内部自由电子的动能、束缚电子的激发能等原始激发 空间与时间上为随机状态，这个过程在粒子的碰撞事件内完 成，该时间远小于激光脉冲宽度。在此过程中，存在大量的 碰撞和中间状态，对于非金属材料而言，转化过程中存在一 些能量转化机制，每种转换都具备其对应的时间常数。对于 金属材料而言，受激运动的自由电子在与晶体点阵碰撞的过 程中，将剩余能量转为晶体点阵的振动。 对于铝箔和铜箔来说，常态下，表面光洁的铝材是一种高 反射材料，其对1064nm激光的吸收率只有6%左右，对532nm 和355nm波长的吸收率稍高，为8%，虽然对半导体激光器 808nm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 1064nm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。 激光切割多孔电极过程分析 以负极石墨为例，极片材料中石墨的切割方式主要为气化 切割。气化切割过程中，切口部分的材料以蒸气形式消失， 高功率密度的加工作用可迅速将材料加热至沸点及以上。无 法熔化的石墨材料，在切割过程中大部分表现为为气化切割。 激光束辐照在材料表面，石墨温度迅速升高至材料沸点，因 速度从表面逸出，所形成加速力在材料内部形成应力波，前 缘压力增大，气体温度得以提高并逸出蒸气形成孔，大部份 材料在气化过程中被同时去除。 极片中间层铜箔同时存在气化切割、熔化切割与氧化熔化 切割几种切割形式。熔化切割为金属铜箔的主要切割方式， 当入射激光束功率密度达到铜的熔点，辐照区域铜箔材料受 热产生切口并发生熔化，在辅助气体的作用下，周围熔融材 料被带走，随着激光光斑在极片材料上的移动，该切口沿切 割方向形成一道切缝。激光光束继续沿切缝前方扫描，被熔 化材料在切缝内被带走。除此之外，在切割过程中，空气中 存在一部分氧气，使得材料在激光作用下燃烧，与氧气产生 剧烈的化学反应从而带来第二热源，表现为氧化熔化切割。 切割过程中，激光束辐照至涂层材料上表面，上层涂层材 料吸收能量后温度迅速上升至气化点，起始阶段，切口深度 （A面涂层）随功率增大而增大，当到箔材层的时候，切口 深度增势变缓，当箔材层被完全切割后，不需要进一步增大 功率达到完全切割的目的。这主要是底层涂层（B面涂层） 并不暴露在激光下，主要是通过箔材层的热传导进行气化切 割。 激光切割工艺参数影响分析 备注：其中“未穿透表层”表示切缝深度未达到第二层表面， 仅烧蚀了部分表层石墨；“仅穿透表层”表示切缝深度完全烧 蚀了切缝范围内的表层石墨，尚未突破中间的铜箔夹层；“完 全穿透”表示切缝深度以达到材料底部，且足以分离切缝两侧 的材料。 石墨切缝宽度wg与夹层铜箔切缝宽度wc随激光功率上 升逐渐增大。一般来说，随激光功率增大，光斑辐照区域内 表层石墨吸收的能量增多，