锂离子动力电池极片的激光切割分析

ｚｏｎｅ（ＨＡＺ）
１ 引 言
激光加工技术已成为近 ２０年来发展最快的 高新技术，已成为改造传统制造业，发展工业 ４．０ 的关键技术之一。此外，在近年大力发展的新能 源电池领域，激光也发挥越来越大的作用。
传统刀模 冲 压 过 程 中 会 对 极 片 引 入 机 械 应 力，产生毛刺、掉粉和露白等一系列安全问题。同 时，刀模易磨损，需定期打磨或更换，影响连续性 生产。近几年来，各种激光技术迅猛发展，为锂离 子电池极片切割开辟了新的途径，越来越多激光 切割取代了传统刀模。激光切割具有切片效率 高、切割图形灵活多样及免维护等优点［１５］。本文 主要研究了市场上几种主流激光器对锂电池正负 极片的切割效果，包括调 Ｑ型光纤激光器、ＭＯＰＡ 光纤激光器、皮秒激光器、绿光激光器及紫外激光 器等，为锂电池极片切割的激光选型提供一定的 理论指导。
Байду номын сангаас
深度增加能量呈指数衰减，如公式（２）所示。
Ａ＋Ｒ ＝１， ｐ（ｚ） ＝ＡＰｅ－ａｚ，
（１） （２）
式中，ｐ为激光总功率密度，ａ为吸收系数，多数金 属的吸收系数为 １０５ ～１０６ ｃｍ－１。材料的吸收率
与温度、表面粗糙度、有无涂层及激光的偏振特性
等诸多因素有关。常见金属材料对不同激光的吸
收率见图 １。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
物理性能也 发 生 变 化，因 此 方 程 （３）的 求 解 十 分
复杂。
而超短脉 冲 （τｌ＜＜τｐｈ）作 用 于 金 属 表 面 时， 电子骤然升温，由于电子与离子质量相差很大，电
子每次与离子碰撞时交换的能量份额太小，因此
电子和离子达到动力学平衡的弛豫时间相差很
大，电子的弛豫时间 τｅ为 １００ｆｓ左右，而一般电 声弛豫时间 τｐｈ较 τｅ大两个量级 。 ［１１１３］ 故高温电 子尚来不及与离子进行充分热交换，当前脉冲便
第 ６期
邓永丽，等：锂离子动力电池极片的激光切割分析
９７５
ａｎｄｒｅｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｉｓａｃｈｉｅｖｅｄｗｈｅｎｃｏｐｐｅｒｆｏｉｌｉｓｃｕｔ．ＴｈｅＨＡＺｏｆａｌｕｍｉｎｕｍ ｆｏｉｌａｒｅａｂｏｕｔ１０μｍ ａｎｄ １７μｍ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｗｈｅｎｔｈｅｙａｒｅｃｕｔｂｙ３５５ｎｍ ＵＶａｎｄ５３２ｎｍ ｇｒｅｅｎｓｏｌｉｄｌａｓｅｒｓｗｉｔｈ２０ｎｓｐｕｌｓｅｄｗｉｄｔｈ． Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅＨＡＺａｒｅｍｏｒｅｔｈａｎ７０μｍａｎｄ１００μｍｗｈｅｎｃｕｔｔｉｎｇｃｏｐｐｅｒｆｏｉｌ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗ ｔｈａｔｔｈｅｎａｒｒｏｗｅｒｔｈｅｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈａｎｄｔｈｅｈｉｇｈｅｒｔｈｅｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｔｈｅｂｅｔｔｅｒｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｑｕａｌｉｔｙｏｆｐｏｌｅ ｐｉｅｃｅ．ＴｈｅＰＳｌａｓｅｒｃｕｔｓｔｈｅｐｏｌｅｐｉｅｃｅｗｉｔｈｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｔｈｅｂｅｓｔｑｕａｌｉｔｙ，ｗｈｉｃｈｉｓｔｈｅｍｏｓｔｉｄｅａｌ ｌａｓｅｒｆｏｒｃｕｔｔｉｎｇｔｈｅｐｏｌｅｐｉｅｃｅ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅＭＯＰＡ ｆｉｂｅｒｌａｓｅｒｗｉｔｈｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｎａｒｒｏｗ ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｈａｓｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｃｕｔｔｉｎｇｓｐｅｅｄ，ａｎｄｔｈｅｃｕｔｐｏｓｉｔｉｖｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｉｅｃｅｆｕｌｌｙｍｅｅｔｓｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｒｅ ｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ａｎｄｉｓｍｏｒｅｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｐｒｏｍｏｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｏｌｅｐｉｅｃｅｃｕｔｔｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒｃｕｔｔｉｎｇ；ｌｉｔｈｉｕｍｉｏｎｐｏｗｅｒｂａｔｔｅｒｙ；ｐｏｓｉｔｉｖｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅ；ｎｅｇａｔｉｖｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅ；ｂｕｒｒ；ｈｅａｔａｆｆｅｃｔｅｄ
Δ
ＣｅρｅＴｔｅ －Ｋ ２Ｔｅ －ｇ（Ｔｅ －Ｔｐｈ） ＝
Ｑ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ），
（４）
Ｃｐｈρｐｈ
Ｔｐｈ ｔ
＝ｇ（Ｔｅ
－Ｔｐｈ）．
（５）
由相关文献［１１１３］知，金属 Ａｌ的电子弛豫时间 为 ００６７ｐｓ，电声弛豫时间为４２７ｐｓ，而 Ｃｕ的电 子弛豫时间为 ０４６７ｐｓ，电声弛豫为 ５７５ｐｓ。
达到热平衡。持续的能量供给，使晶格吸收的能
量不断向周围低温区扩散，引起周围材料的热变
形，其热量 传 递 适 用 于 公 式 （３）。 长 脉 冲 激 光 作
用时，材料的热影响区大，加工精度低。室温下，
金属热导率 Ｋ主要由电子贡献，金属比热容 Ｃ则
由晶格决定。实际上，激光照射过程中，ρ，Ｃ，Ｋ及
ａ都不是常数，而且激光加热升温过程中，材料的
已结束，此时离子与电子具有不同的温度，此时公
式（３）不再适用。需分 别 求 解 电 子 与 离 子 的 温
度，见公式（４）和（５），高温电子碰撞仅让周围小
部分晶格获得了相应能量，发生熔化或汽化，并带
走大部分热量，留在材料中的能量很少，超短脉冲
的这种“冷 ”加 工 模 式，使 得 切 口 精 度 高，热 影 响 小，特别适用于精密加工领域。
第 １１卷 第 ６期 ２０１８年 １２月
中国光学 ＣｈｉｎｅｓｅＯｐｔｉｃｓ
Ｖｏｌ．１１ Ｎｏ．６
Ｄｅｃ．２０１８
文章编号 ２０９５１５３１（２０１８）０６０９７４０９
锂离子动力电池极片的激光切割分析
邓永丽１ ，李 庆１，黄学杰２
（１．广州中国科学院工业技术研究院，广东 广州 ５１１４５８；２．中国科学院 物理研究所，北京 １００１９０）
２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆｐｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９０，Ｃｈｉｎａ） Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ，Ｅｍａｉｌ：ｄｅｎｇｙｏｎｇｌｉ＠ｇｚｉｉｔ．ａｃ．ｃｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍｅｅｔｔｈｅｄｅｍａｎｄｏｆｌｉｔｈｉｕｍｉｏｎｂａｔｔｅｒｙｉｎｄｕｓｔｒｙ，ａｎｄｔｏｓｅｅｋａｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｈｉｇｈ ｑｕａｌｉｔｙｃｕｔｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｑｕａｌｉｔｙｂｙｖａｒｉｏｕｓｌａｓｅｒｓａｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｉｍａｇｅｍｅａｓ ｕｒｉｎｇｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｎｄＳＥＭ，ｉｔｉｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｂｕｒｒａｎｄｈｅａｔａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅ（ＨＡＺ）ｏｆａｌｕｍｉｎｕｍｆｏｉｌｃｕｔｂｙＱ ｔｙｐｅ１０６４ｎｍｆｉｂｅｒｌａｓｅｒｗｉｔｈ１００ｎｓｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈａｒｅａｂｏｕｔ１５μｍａｎｄ６０μｍ，ａｎｄｔｈｅＨＡＺｏｆｎｅｇａｔｉｖｅｃｏｐ ｐｅｒｆｏｉｌｉｓａｂｏｕｔ２００μｍ，ｔｈｅｂｕｒｒａｎｄＨＡＺｏｆａｌｕｍｉｎｕｍｆｏｉｌｃｕｔｂｙＭＯＰＡｆｉｂｅｒｌａｓｅｒｗｉｔｈ２０ｎｓｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈ ａｒｅ１０μｍ ａｎｄ２０μｍ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄｔｈｅＨＡＺｏｆｃｏｐｐｅｒｆｏｉｌｉｓａｂｏｕｔ７０μｍ．ＴｈｅｂｕｒｒａｎｄＨＡＺｏｆａｌｕｍｉ ｎｕｍｆｏｉｌｃｕｔｂｙ１０ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄｓｐｕｌｓｅｄｓｏｌｉｄｌａｓｅｒａｒｅａｂｏｕｔ６μｍａｎｄ１０μｍｓｅｐａｒａｔｅｌｙ，ａｚｏｎｅｏｆｎｏｍｅｌｔｉｎｇ
ｙ（ＫＴｙ）＋ｚ（ＫＴｚ）］，
（３）
式中，ρ为密度，Ｃ为体积比热容，ｔ为时间，Ｔ为温
度，Ｋ为材料热导率，Ｑ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）表示单位体积内
材料吸收的激光能量。对于垂直入射的半无限大 表面热源有 Ｑ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）＝Ａ·ｐ·α·ｅ－αｚ。
当长 脉 冲 激 光 照 射 时，激 光 脉 宽 τ１ 满 足 τｌ＞＞τｐｈ，τｐｈ为 电声 弛 豫 时 间。 脉 冲 激 光 作 用 时 间里，电子与离子进行了充分碰撞耦合，两者最终
子的动能转化为晶格的热振动能，然后按照热传
导的机理向周围和材料内部传播，引起材料温度
升高，从而出现相应的变化。对于各向同性材料，
单位时间里材料温度变化由温度源和材料热传导
损失能量共 同 决 定，因 此 金 属 的 热 传 导 方 程 ［６１０］
见公式（３）：
ρＣＴｔ＝Ｑ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）－［ｘ（ＫＴｘ）＋
Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｌａｓｅｒｃｕｔｔｉｎｇｏｆｌｉｔｈｉｕｍｉｏｎｐｏｗｅｒｂａｔｔｅｒｙｐｏｌｅｐｉｅｃｅ
ＤＥＮＧＹｏｎｇｌｉ１ ，ＬＩＱｉｎｇ１，ＨＵＡＮＧＸｕｅｊｉｅ２ （１．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＩｎｄｕｓｔｒｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＧｕａｎｇｚｈｏｕ＆ ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１１４５８，Ｃｈｉｎａ）
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，１００ｎｓ脉宽调 Ｑ型 １０６４ｎｍ光纤激光器切割正极铝箔时毛刺和热影响区（ＨＡＺ） 约为１５μｍ和６０μｍ，切负极铜箔时 ＨＡＺ约为 ２００μｍ；２０ｎｓ脉宽的 ＭＯＰＡ光纤激光器切割铝箔毛刺 １０μｍ，ＨＡＺ约为 ２０ μｍ，切铜箔时 ＨＡＺ约７０μｍ；脉宽为 １０ｐｓ的固体激光器切割铝箔毛刺和 ＨＡＺ分别约为 ６μｍ和 １０μｍ，切铜箔时实现 无熔融重凝区；２０ｎｓ脉宽的 ３５５ｎｍ紫外和 ５３２ｎｍ的绿光固体激光器切割铝箔 ＨＡＺ分别为 １０μｍ和 １７μｍ，切铜箔时 ＨＡＺ则分别为大于 ７０μｍ和 １００μｍ。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。 关 键 词：激光切割；锂离子动力电池；正极；负极；毛刺；ＨＡＺ 中图分类号：ＴＮ２４９ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＣＯ．２０１８１１０６．０９７４
收稿日期：２０１８０９１４；修订日期：２０１８０６０５ 基金项目：中科院 ＳＴＳ：创新型动力电池关键生产技术研究（Ｎｏ．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” ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＳｅｒｖｉｃｅＮｅｔｗｏｒｋＩｎｉｔｉａｔｉｖｅ：ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｋｅｙＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆ ＩｎｎｏｖａｔｉｖｅＰｏｗｅｒＢａｔｔｅｒｙ（Ｎｏ．Ｙ７Ａ５０１０１０１）；ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＳｔｒｏｎｇＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＭＩＩＴ２０１３：ｔｈｅＢａｓｉｃ Ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆＬｉｔｈｉｕｍｉｏｎＰｏｗｅｒＢａｔｔｅｒｙＰｒｏｃｅｓｓＥｑｕｉｐｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
图 １ 金属对激光的吸收率 Ｆｉｇ．１ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｒａｔｉｏｏｆｔｈｅｌａｓｅｒｆｏｒｃｏｍｍｏｎｍｅｔａｌ
照射在金属表面的激光能量被表层附近的自
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中国光学
第 １１卷
由电子吸收，电子被瞬间加热，高温电子通过碰撞
将能量传递给其它低温粒子如电子和离子等，通
过电子电子、电子离子的撞击进行热量交换，电
本文开展了不同脉宽激光器切割动力极片的 相关实验，并对 １５μｍ厚的正极铝箔和 ８μｍ厚 的负极铜箔的切片质量进行了分析，为锂离子动 力电池极片切割的激光选型提供一定的指导。 ２．２ １０６４ｎｍ 调 Ｑ型光纤激光器切割效果
高，因此铜加工是当前难点之一。
２ 锂离子动力电池极片的激光切割
２．１ 激光与金属材料作用机理 金属内存在大量自由电子，当激光照射金属
表面时，表层附近的电子受到光频电磁波的强迫 振动而产生次波，这些次波形成强烈的反射波和 较弱的透射波，即大部分能量被材料反射，小部分 能量透射进材料被材料吸收。反射率 Ａ和吸收 率 Ｒ满足能量守恒定律，见公式（１）。透射进入 材料内部的激光能量沉积在表层很浅的位置，随