锂电池极片激光分切解析及影响因素

锂电池极片激光分切解析及影响因素01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；第二，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；02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。03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，因而越过材料由传热引起的熔化过程；气态石墨以靠近声速的速度从表面逸出，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。04激光切割工艺参数影响分析1.激光功率对切缝特征参数的影响备注：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，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，即在激光可以切断极片材料的条件范围内，功率的增加可使受热产生变化的铜材料趋向液体状态。对于表面烧蚀宽度wk,随着激光功率的增加，表面的烧蚀宽度呈下降趋势。当功率低于120W时，功率相对较小，所带来的能量密度不足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需要更多的时间。由于切深较浅，传热面积小，在总吸收热量一定的情况下，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况下随功率变化的差异不大；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，使传热面积大幅增大，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下降。.切割速度对切缝特征参数的影响对于切割宽度来说，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。随着切割速度增大，激光与材料作用时间变短，加工区域不足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，切割速度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。只对切割速度使用单因子变量时，随切割速度逐渐增大，激光与材料作用的总时间相对减小，所施加的总脉冲次数也随之减少，相同路径范围内材料所吸收的总热量也随之减少，从而导致切缝宽度减小。.脉冲频率对切缝特征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随脉冲频率的变化规律曲线。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化幅度不大，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。脉冲频率表示单位时间内的激光脉冲个数，在一个脉冲时间内，激光光斑移动的距离远小于光斑的直径。对于表层石墨材料，其在较小脉冲频率下可达到烧蚀阈值，可完全穿透三层材料；而在负极极片的切割过程中主要以气化切割为主，在此基础上，增大脉冲频率的影响作用与功率和速度相比不明显。05激光切割边缘颗粒成分及切割机制分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原因主要有：第一，粉末颗粒原始成分中不含氧，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现象产生造成。球状颗粒中主要成分是碳和铜，则说明激光切割过程中，石墨与铜发生了反应或者石墨颗粒与铜颗粒发生了团聚。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集、凝结。分析硫、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。对于不同的电极，对工艺参数的敏感性是否一样，是否存在适配性，有必要进行分析和讨论，本次讨论LFP、LNM、C电极差别，为选取最佳工艺参数做参考指导。最小平均切割功率对比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20kHz，激光脉冲通量约为110J/cm2时，LNMC切割效率最高；当频率为100kHz，激光脉冲通量约为35-40J/cm2时，LFP切割效率最高。对于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原因可能是LNMC烧蚀产物在很高频率时具有更强的屏蔽作用，LFP烧蚀产物在很高通量时具有更强的屏蔽作用。使用组3的参数时（重复频率为20kHz，激光脉冲通量约为150J/cm2），负极平均切割功率最低，这是由于铜导体膜的烧蚀阈值高，需要高通量。可以看出，在测试范围内，频率和激光脉冲通量对最小平均切割功率的影响大于脉宽。由于短脉冲热传导损失的减少，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低烧蚀产物的屏蔽效应方面具有更重要的意义。这些结果的意义从效率和经济的角度来看都是重要的，因为正确选择激光参数可以使平均激光功率减少一半以上。组1的LNMC电极最小平均切割功率是组3的两倍以上。很明显，理想的参数范围很大程度上依赖于电极成分，因此相同的切割参数并不一定适用于所有电极类型。SEM分析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，其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。对比两种正极材料，LFP对工艺参数的灵敏度高于LNMC。当为组1时，LFP的切割边缘出现活性层熔化和再凝固的迹象，形成直径约为25Hm的球形缺陷。对于第3组，可以看到较小的球形缺陷，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20-25Hm，第3组的烧灼宽度略大。宏观切割质量和最小平均切割功率之间存在联系，切割质量最好的为第二组，这与平均切割功率最小的参数相同。因此，在切削效率较低的情况下，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缺陷；然而，烧灼宽度大于LFP,在30-50pm范围内。在组1中，平均切割功率最大，可见切割质量最高。虽然在宏观切割质量方面，该电极对激光参数的灵敏度似乎比LFP低