江樺銳，張松嶺，肖海兵

（1. 深圳市海目星激光智能裝備股份有限公司， 廣東深圳 518110；2. 深圳信息職業(yè)技術學院智能制造與裝備學院， 廣東深圳 518172）

0 引言

傳統(tǒng)的模切鋰離子電池極耳容易導致毛刺和粉塵，影響電池的性能和使用壽命[1]。激光切割可以大大提高鋰電池性能。激光切割工藝直接影響極耳切割效率與切割質(zhì)量。研究激光切割工藝，通過改變工藝參數(shù)實現(xiàn)降低毛刺，提高產(chǎn)品精度。2005年，魏思明[2]研究了激光切割機加工質(zhì)量分析與控制分析激光切割的加工原理，以及影響加工質(zhì)量的諸多因素，闡述如何控制提高加工質(zhì)量的方法。 針對理離子電池極片激光切割機制，2013年，Lee D 等[3]建立了激光與極片材料相互作用的模型，對激光切割鋰電池極耳試驗研究，模擬了激光切割極耳時間、深度和燒蝕閥值，并通過光纖激光切割極片的試驗驗證了模型的合理性。P fleging W[4]研究激光切割鋰離子石墨陽極工藝。2014年，Demir A G 等[5]采用紅外激光和綠激光切割鋰離子電池極片，分析了兩種加工條件對切割邊緣寬度的影響。Lee 等[6]從試驗上對激光高速遠程切割極片的激光功率和切割速度等關鍵參數(shù)進行了優(yōu)化，獲得了可接受的切割質(zhì)量。針對鋰離子動力電池的激光切割質(zhì)量，鄧永麗等[7]使用不同波長和脈寬的激光器進行切割試驗，結果表明極片的切割質(zhì)量與激光脈寬呈負相關。2019年，晏一菓[8-9]以三層復合鋰離子電池負極極片材料為對象，開展納秒脈沖激光掃描切割極片的研究。李建相[10]研究觀察石墨層、銅箔和負極復合材料的切縫形貌，分析超快激光切割負極的機制。研究表明負極材料的超快激光切割機制以氣化切割為主。切割過程中，銅箔切割機制是快速熱氣化、熱熔化和相爆炸的共同作用，被激光束直接輻照的石墨層在激光能量的作用下被氣化切除。電池電極在連續(xù)脈沖激光輻射下，以100 mm/s、500 mm/s和1 m/s的速度獲得12個激光參數(shù)組的切口深度[11-13]。研究表明：更短的脈沖、更高的速度和更短的波長可提高切割效率。

基于此，本文研究鋰離子電池正負極片納秒脈沖激光切割新工藝，提出熱影響、正面毛刺、端面毛刺的平均值來判斷切割極耳的形貌特征，并通過實驗獲得較好的切割效果。

1 納秒脈沖激光切割極耳機理

納秒脈沖激光切割鋰電材料鋰電材料激光切割的熱傳遞如圖1所示，根據(jù)被加工材料以及激光工作模式的不同，熱作用和光化學作用在加工中所起作用的程度不同。納秒脈沖激光加工各不相同，例如在用鋰電極耳材料做加工對象時，燒蝕痕跡和飛濺物明顯，熱作用占主。

圖1 鋰電材料激光切割的熱傳遞模型

在納秒激光作用下，材料吸收激光的過程和隨后往內(nèi)部傳遞熱能的過程也遵守熱力學的基本定律。材料包含傳導、對流和輻射三種傳熱方式。激光束照射到極耳材料表面，在激光加熱過程中熱傳導微分方程和材料溫度如下[14]：

式中：T為溫度，是坐標x、y、z和時間t的函數(shù)；α為導溫系數(shù)；cP為容積熱容系數(shù)；k為導熱系數(shù)；A為單位時間內(nèi)單位體積所放出的熱量，與坐標和時間有關。

納秒脈沖能量在空間上均勻分布，時間呈高斯分布，并使用如下函數(shù)形式描述脈沖功率密度在時間上的分布：

式中：I0為脈沖峰值功率密度；Qs為脈沖能量密度；t0為脈沖峰值時間。w是脈沖寬度（FWHM）；σ為高斯函數(shù)的標準偏差。

激光束能量較低時，無法切斷材料，但過高的能量引起材料氧化，形成熱影響區(qū)。納秒脈沖激光一般會給出脈沖寬度、峰值功率和重復頻率：脈沖能量=峰值功率×脈沖寬度；平均功率=脈沖能量×重復頻率。切割速度由脈沖重復頻率的上限及可接受的重疊共同決定。在確定了重疊度后，激光脈沖重復頻率直接決定了加工速度，重復頻率越高，加工速度越快。

圖2 所示為鋰電材料激光切割的熱影響區(qū)，熱影響區(qū)域是指在加工過程中，沿著激光切口附近的區(qū)域被加熱，導致了金屬的結構發(fā)生一定的變化，這種變化會導致金屬產(chǎn)生硬化的現(xiàn)象。熱影響區(qū)域的存在對于激光切割來說比較不利，尤其是對于金屬表面以及邊緣的光滑程度會產(chǎn)生不良影響。

圖2 激光切割的熱影響區(qū)

激光切割鋰電池極耳的熱影響區(qū)域會導致金屬硬化外，也會導致金屬邊緣出現(xiàn)凹陷和腐蝕等現(xiàn)象。在精密切割加工過程中，鋰電材料切割導熱模型表述如下：

式中： Δh為材料導熱長度；λ為導熱系數(shù)；ρ為材料密度；C為比熱容；t為作用時間。

激光切割特征及性能判斷如表1 所示。鋰電極片激光切割通過熱影響區(qū)、毛刺、表面粉塵來表征和判斷。

表1 切割特征及性能判斷

2 試驗方案及實驗材料

2.1 實驗設備

鋰電極耳切割系統(tǒng)由納秒激光器、振鏡切割頭、光路系統(tǒng)、工作臺、除塵系統(tǒng)、CCD視覺系統(tǒng)等組成。參數(shù)如表2所示，激光波長為1064 nm，脈寬為50 ns，功率為200 W，重復頻率為0.4～20 MHz，實驗采用顯微鏡觀測掃描深度和熱影響區(qū)。

表2 納秒脈沖激光切割設備參數(shù)

2.2 實驗材料

實驗材料為銅箔、鋁箔、陽極石墨等，試驗材料如表3所示。

表3 試驗材料

2.3 實驗參數(shù)

影響切割質(zhì)量的主要因素有激光功率、單脈沖能量、光斑的搭接率、激光波形及頻率等；SPI-200W脈沖激光器具有高的峰值功率和脈沖能量，同時最小程度影響光斑尺寸，SPI-200W有20多種波形，根據(jù)應用對象，可以選擇不同的波形。選取SPI-200W 激光器3 種典型的波形W5、W11、W29，參數(shù)如表4所示。

表4 激光波形參數(shù)

3 試驗分析

3.1 鋁箔切割對比

根據(jù)實驗方案所選定的波形及參數(shù)進行切割，每個參數(shù)切割2 片，統(tǒng)計其熱影響、正面毛刺、端面毛刺的平均值，激光頻率與波形對切割質(zhì)量的影響如圖3 所示，當在頻率500 kHz，切割速度4000 mm/s，切割效果最為明顯，切割毛刺長度在10～20 μm。

圖3 激光頻率與波形對切割質(zhì)量的影響

采用SPI200W不同頻率切割，W5號波形，38 ns，切割速度4000 mm/s，通過顯微鏡掃描極片正面、端面，切割形貌特征如圖4所示。

圖4 鋁箔切割質(zhì)量對比

由圖可見，不同頻率下其切縫表面有明顯的不同。圖4（a）～（b）是在W5 號波形，200 kHz，切割速度4000 mm/s，通過顯微鏡掃描極片正面、端面；圖4（c）～（d）是在W5號波形，430 kHz，切割速度4000 mm/s，通過顯微鏡掃描極片正面、端面，如在200 kHz下時主要表現(xiàn)為平面毛刺和熱影響（飛濺），而在430 kHz 時主要表現(xiàn)為熔邊和端面毛刺。在切割速度一定的情況下，頻率越大，搭接率越高。搭接率越高，輸入能量越多越容易產(chǎn)生熔邊。

3.2 銅箔切割對比

根據(jù)實驗方案所選定的波形及參數(shù)進行切割，每個參數(shù)切割2片，統(tǒng)計其熱影響、端面毛刺的平均值，W11波形，切割銅箔速度4000 mm/s，切割銅箔毛刺長度在50～150 μm。

圖5 銅箔激光頻率與波形對切割質(zhì)量影響

采用SPI200 W不同頻率切割，11號波形，切割銅箔速度4000 mm/s，通過極片正面、端面觀察切割特征，切割形貌特征如圖6所示。

圖6 銅箔激光切割質(zhì)量對比

從圖中分析，圖6（a）～（b）是在W11 號波形，430 kHz，切割速度4000 mm/s，通過顯微鏡掃描極片正面、端面；圖6（c）～（d）是在W11 號波形，800 kHz，切割速度4000 mm/s，通過顯微鏡掃描極片正面、端面，采用11 號波形時，在中心頻率氧化最為嚴重，低頻或高頻時氧化現(xiàn)象稍好一些。其主要原因是，低頻時即使單脈沖能量較高但激光的光斑搭接較低，而在高頻時單脈沖能量較低。

3.3 陽極石墨切割對比

針對陽極石墨材料，采用SPI-200W激光切割，不同頻率下陽極石墨激光切割工藝如圖7所示，每個參數(shù)切割2片，統(tǒng)計其熱影響、端面毛刺的平均值，W29 波形，切割陽極石墨速度1000 mm/s，切割銅箔毛刺長度在50～150 μm，切割陽極石墨毛刺長度在30～85 μm。

圖7 不同頻率下陽極石墨激光切割工藝

石墨切割在保證切斷的前提下，切割質(zhì)量無較大的影響。圖8（a）～（b）是在W29 號波形，200 kHz，切割速度4000 mm/s，通過顯微鏡掃描極片正面、端面；圖8（c）～（d）是在W29 號波形，320 kHz，切割速度1000 mm/s，通過顯微鏡掃描極片正面、端面。由圖8可見，不同頻率下其切縫表面有變化，切割特征主要表現(xiàn)為平面毛刺和熱影響，試驗結果表明，納秒激光波形、激光頻率與激光切割速度對切縫特征影響較大。

圖8 不同頻率下陽極石墨激光切割形貌

4 結束語

通過對銅箔、鋁箔、石墨的激光切割試驗，探討其納秒脈沖激光切割新工藝。分析不同的納秒脈沖切割參數(shù)如激光波形、重復頻率、切割速度等對切割質(zhì)量的影響。創(chuàng)新提出采用熱影響、平面毛刺、端面毛刺的平均值來判斷納秒激光切割鋰電池極耳的質(zhì)量。結果表明，納秒激光波形、激光頻率與激光切割速度對切縫特征參數(shù)的影響較大。建立了激光波形、激光切割速度、脈沖頻率與脈沖寬度對切縫特征的影響規(guī)律，得到了較優(yōu)的工藝參數(shù)范圍，解決目前鋰電制造行業(yè)極片制造的效率與精度難題，為激光切割極片提供理論與工藝支撐。