锂电池极片激光分切解析及影响成分-片头模版

多孔电极经由涂布及辊压后，需极片切割才能达到所需的设计构造。
目前，极片切割紧张具有三种办法：（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办法，都是利用刀具或模具，利用材料受力后的塑性变形，产生裂痕后相互分离的事理来裁切极片。
这两种办法对付刀具或模具在强度、刚度以及精度方面都提出了很高的哀求。
对付切割后形成的切口，一样平常会涌现毛刺或挂渣等问题。
由于切割过程为打仗过程，电极的涂层摩擦力较大，会导致打仗工具磨损增加，模具钝化，因而模具须要重新研磨乃至改换；

相对付传统切工工艺，激光工艺十分灵巧，可以轻松调度不同的几何形状，对付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。

利用激光来切割具有以下上风：

第一，切割边缘毛刺可以稳定掌握在0.01mm之内；

第二，激光切割只须要一次性本钱投入，在后续生产过程中及换型时，没有换刀换模本钱，因此打算长期成本来讲，采取激光制片反而会降落生产本钱；

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旧具有很多不敷：

第一，极片切割所采取的高性能激光器价格昂贵，因此纵然打算长期本钱低，但一次性投入偏大，大部分企业还是不愿意接管；

第二，激光切割会产生碳化边缘（又称热影响区域），由于是利用高密度激光能量进行切割，在割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征象，但热影响区域可以掌握在0.1mm之内,露铜露铝可以掌握在0.03mm之内；

第三，激光切割过程中会产生大量的粉尘，粉尘的网络和处理是一个相称大的难题；

02 激光切割事理

激光在极片表面的接管、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浸染的过程，材料受到光辐照，其内部自由电子的动能、束缚电子的引发能等原始引发能需经历两个步骤转化为热量。
首先材料的受激离子运动在空间与韶光上为随机状态，这个过程在粒子的碰撞事宜内完成，该韶光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，对付非金属材料而言，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韶光常数。
对付金属材料而言，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。

对付铝箔和铜箔来说，常态下，表面光洁的铝材是一种高反射材料，其对1064nm激光的接管率只有6%旁边，对532nm和355nm波长的接管率稍高，为8%，虽然对半导体激光器808nm波段的接管率可达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激光的接管率约为2%，对绿光或紫外光的接管率相对高一点，同时铜的热导率非常高，因此铜加工是当前难点之一。

03 激光切割多孔电极过程剖析

以负极石墨为例，极片材料中石墨的切割办法紧张为气化切割。
气化切割过程中，切口部分的材料以蒸气形式消逝，高功率密度的加工浸染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，因而超越材料由传热引起的熔化过程；气态石墨以靠近声速的速率从表面逸出，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紧张切割办法，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，在赞助气体的浸染下，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。
激光光束连续沿切缝前方扫描，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，使得材料在激光浸染下燃烧，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。

从下图可以看出，切割过程中，激光束辐照至涂层材料上表面，上层涂层材料接管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，当箔材层被完备切割后，不须要进一步增大功率达到完备切割的目的。
这紧张是底层涂层（B面涂层）并不暴露在激光下，紧张是通过箔材层的热传导进行气化切割。

04 激光切割工艺参数影响剖析

1.激光功率对切缝特色参数的影响

备注：个中“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”表示切缝深度完备烧蚀了切缝范围内的表层石墨，尚未打破中间的铜箔夹层；“完备穿透”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。

如上图所示，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。
一样平常来说，随激光功率增大，光斑辐照区域内表层石墨接管的能量增多，导致传导至辐照区域附近的能量上升，使其受热气化形成更宽的切缝。
随着激光功率的增大，受热熔化或气化的材料越多，切缝宽度也随之变大，即在激光可以割断极片材料的条件范围内，功率的增加可使受热产生变革的铜材料趋向液体状态。

对付表面烧蚀宽度wk，随着激光功率的增加，表面的烧蚀宽度呈低落趋势。
当功率低于120W时，功率相对较小，所带来的能量密度不敷以形成较深的切缝与受热区域，气化表层石墨材料相对高功率参数须要更多的韶光。
由于切深较浅，传热面积小，在总接管热量一定的情形下，于水平方向上扩散的能量更多，表面烧蚀宽度较大，且在未穿透表层的情形下随功率变革的差异不大；当功率进一步增大到120W以上时，铜箔被高能量密度的激光穿透，去除范围在竖直方向上变深，使传热面历年夜幅增大，水平方向上传导的热量随之减少，表面烧蚀宽度随激光功率的增大而低落。

2.切割速率对切缝特色参数的影响

对付切割宽度来说，可表征切割面质量，切割宽度和热影响区过大时，则对质量影响较大。
随着切割速率增大，激光与材料浸染韶光变短，加工区域不敷以使切缝附近区域达到该特定阈值，导致切缝宽度也随之减小。
在激光功率P=170W，脉冲频率f=200kHz，脉冲宽度TON=120ns状态下，切割速率对表层石墨烧蚀宽度wk、石墨切缝宽度wg与铜箔切缝宽度wc的影响规律如上图所示。
只对切割速率利用单因子变量时，随切割速率逐渐增大，激光与材料浸染的总韶光相对减小，所施加的总脉冲次数也随之减少，相同路径范围内材料所接管的总热量也随之减少，从而导致切缝宽度减小。

3.脉冲频率对切缝特色参数的影响

上图为表层石墨烧蚀宽度wk、表层石墨切缝宽度wg与铜箔切缝宽度wc随脉冲频率的变革规律曲线。
从图中可以看到，各层切割宽度在激光脉冲频率的影响下变革幅度不大，随着脉冲频率的增加，表面烧蚀宽度、各层切缝宽度呈现一定的上升趋势，但是规律不明显。
脉冲频率表示单位韶光内的激光脉冲个数，在一个脉冲韶光内，激光光斑移动的间隔远小于光斑的直径。
对付表层石墨材料，其在较小脉冲频率下可达到烧蚀阈值，可完备穿透三层材料；而在负极极片的切割过程中紧张以气化切割为主，在此根本上，增大脉冲频率的影响浸染与功率和速率比较不明显。

05 激光切割边缘颗粒身分及切割机制剖析

圆球状的飞溅颗粒中含有碳元素和铜元素，同时含有极少量的氧元素，碳元素和铜元素的原子百分比远大于氧元素的原子百分比；而不规则形状的飞溅颗粒中绝大部分或全部为碳元素，只有极少的铜元素。

圆球状颗粒含氧元素的缘故原由紧张有：第一，粉末颗粒原始身分中不含氧，颗粒飞溅后与空气中的氧气发生了氧化反应产生的；第二，激光切割过程中发生燃烧征象产生造成。
球状颗粒中紧张身分是碳和铜，则解释激光切割过程中，石墨与铜发生了反应或者石墨颗粒与铜颗粒发生了团圆。
而不规则颗粒中含少量铜元素，激光切割过程中铜箔气化后，再沉积到石墨表面导致颗粒聚拢、凝集。

剖析硫、钠和钾等微量元素的来源：其一可能是激光切割前极片材料表面污染导致；其二可能是电极材料的粘结剂中含有这些微量元素，激光加工过程中，颗粒飞溅到材料表面导致。

对付不同的电极，对工艺参数的敏感性是否一样，是否存在适配性，有必要进行剖析和谈论，本次谈论LFP、LNM、C电极差别，为选取最佳工艺参数做参考辅导。

1 最小均匀切割功率

比拟LNMC和LFP的数值可以看出，LNMC所需切割功率比LFP低，并且激光脉冲通量高，频率低。
当频率为20 kHz，激光脉冲通量约为110 J/cm2时，LNMC切割效率最高；当频率为100 kHz，激光脉冲通量约为35-40 J/cm2时，LFP切割效率最高。
对付 LNMC和LFP电极而言，所用的集流体相同，切割效率最高对应的参数不同缘故原由可能是LNMC烧蚀产物在很高频率时具有更强的屏蔽浸染，LFP烧蚀产物在很高通量时具有更强的屏蔽浸染。
利用组3的参数时（重复频率为20 kHz，激光脉冲通量约为150 J/cm2），负极均匀切割功率最低，这是由于铜导体膜的烧蚀阈值高，须要高通量。

可以看出，在测试范围内，频率和激光脉冲通量对最小均匀切割功率的影响大于脉宽。
由于短脉冲热传导丢失的减少，较短的脉冲可提高烧蚀效率，但显然，激光脉冲通量和重叠在优化材料喷射范围和降落烧蚀产物的屏蔽效应方面具有更主要的意义。

这些结果的意义从效率和经济的角度来看都是主要的，由于精确选择激光参数可以使均匀激光功率减少一半以上。
组1的LNMC电极最小均匀切割功率是组3的两倍以上。
很明显，空想的参数范围很大程度上依赖于电极身分，因此相同的切割参数并不一定适用于所有电极类型。

2 SEM剖析

LNMC电极、LFP电极和石墨电极激光切割后SEM图像分别如上所示。
所有切割边都显示出可见的间隙宽度，个中上层涂层被烧灼宽度大于集流体。
这一特点可能是由于金属层的热积累和传导效应导致随后加热和去除暴露区域以外的活性层。

比拟两种正极材料，LFP对工艺参数的灵敏度高于LNMC。
当为组1时，LFP的切割边缘涌现活性层熔化和再凝固的迹象，形成直径约为25μm的球形毛病。
对付第3组，可以看到较小的球形毛病，涂层有一些开裂，而第2组没有这种形成或开裂。
第1组和第2组的烧灼宽度相似，为20-25 μm，第3组的烧灼宽度略大。
宏不雅观切割质量和最小均匀切割功率之间存在联系，切割质量最好的为第二组，这与均匀切割功率最小的参数相同。
因此，在切削效率较低的情形下，有效涂层的烧灼是热积累的结果。

LNMC沿切割边缘没有可见的球形毛病；然而，烧灼宽度大于LFP，在30-50 μm范围内。
在组1中，均匀切割功率最大，可见切割质量最高。
虽然在宏不雅观切割质量方面，该电极对激光参数的灵敏度彷佛比LFP低，只管在图3中不雅观察到的切割效率较低，但低通量脉冲具有更清晰的切割边缘。
为了确定在这些条件下热积累的影响，有必要研究高和低激光脉冲通量下化学和微不雅观构造的变革。
负极切割边缘表现出与LNMC相似的特性，宏不雅观毛病极小。
与LFP一样，最高的可见质量得到的参数，均匀切割功率最小。
负极利用组3使均匀切削功率和烧灼宽度最小。
因此，靠近切削边缘的活性涂层的去除是热积累的结果。

从上剖析可以看出，对付不同的电极，最佳工艺参数存在明显差别，应根据不同的材料特性优化参数。

参考文献

[1] Lutey A , Fortunato A , Carmignato S , et al. Quality and Productivity Considerations for Laser Cutting of LiFePO4 and LiNiMnCoO2 Battery Electrodes[J]. Procedia Cirp, 2016, 42:433-438.