作者：Eugen Sch?fer，Malte Hemmerich

1. 摘要

本文探討了電動(dòng)汽車(chē)電池單元中陽(yáng)極材料的遠(yuǎn)程激光切割技術(shù)，評(píng)估了高亮度激光器在不同工作模式和配置下的性能。在電動(dòng)汽車(chē)電池技術(shù)快速發(fā)展的背景下，電極材料的切割方法對(duì)于生產(chǎn)效率起著至關(guān)重要的作用。本文分析了使用工業(yè)用高亮度激光器在連續(xù)波和脈沖（ns、ps）工作模式下進(jìn)行遠(yuǎn)程激光切割的效果，比較了它們的動(dòng)      態(tài)性能和切割質(zhì)量，以揭示它們優(yōu)化電池制造工藝的潛力。通過(guò)光束入射面和出射面的顯微分析以及激光掃描顯微鏡測(cè)量，對(duì)切割質(zhì)量和精度進(jìn)行了全面評(píng)估。本文概述了實(shí)驗(yàn)過(guò)程和研究結(jié)果，同時(shí)對(duì)未來(lái)改進(jìn)電極制造技術(shù)的可能性提出了見(jiàn)解。

2. 引言

人們對(duì)電動(dòng)交通的日益關(guān)注已使其成為汽車(chē)行業(yè)的核心主題，其中的重點(diǎn)是以電力驅(qū)動(dòng)而不主動(dòng)排放污染物的車(chē)輛。這一轉(zhuǎn)變促使全球所有汽車(chē)制造商不斷擴(kuò)大純電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的生產(chǎn)規(guī)模。如今，這兩種類(lèi)型的汽車(chē)都主要依靠鋰離子電池，因此增加了對(duì)高性能鋰離子電池的需求。電池具有多種封裝形式，如方形、圓柱形和軟包封裝等，但它們都采用同一種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)，其中包括多層的陽(yáng)極箔-隔膜-陰極箔結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖 1）。

圖 1：常見(jiàn)的鋰離子電池結(jié)構(gòu)；左側(cè)為圓柱形電池結(jié)構(gòu)，右側(cè)為軟包電池結(jié)構(gòu) 

電極箔的裁剪傳統(tǒng)上依賴(lài)于沖孔和刀片切割等機(jī)械切割工藝，這種工藝存在明顯的缺點(diǎn)，如工具磨損、金屬層涂抹現(xiàn)象和輪廓適應(yīng)性有限等。而改變電極形狀需要重新設(shè)計(jì)切割工具，導(dǎo)致成本增加。相比之下，激光切割已成為一種成熟、高效、可靠的制造方法，在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。激光切割具有非接觸和加工速度快等明顯優(yōu)勢(shì)，而且切割性能優(yōu)于機(jī)械切割。值得注意的是，使用激光切割技術(shù)時(shí)，幾何形狀的重新設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本效益高，而且該技術(shù)非常適合卷對(duì)卷工藝，這些特性都進(jìn)一步凸顯了其相對(duì)于機(jī)械工藝的優(yōu)越性。

雖然涂層銅陽(yáng)極箔和涂層鋁陰極箔都是電池制造中不可或缺的材料，但本文主要著眼于與涂層銅陽(yáng)極箔材料切割相關(guān)的挑戰(zhàn)和進(jìn)展。由于陽(yáng)極箔切割涉及的范圍廣泛、參數(shù)復(fù)雜，加上需要進(jìn)行詳細(xì)的顯微分析，有必要重點(diǎn)關(guān)注。但是，必須承認(rèn)改進(jìn)陰極材料切割方法同樣重要。因此，我們還在實(shí)驗(yàn)室中針對(duì)陰極處理工藝進(jìn)行了與本文所述陽(yáng)極處理工藝規(guī)模類(lèi)似的測(cè)試，如有合作伙伴對(duì)此感興趣，歡迎與我們溝通探討。

總之，涂層箔的遠(yuǎn)距離激光切割在電池制造中發(fā)揮著重要作用，為提高電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池生產(chǎn)的精度、降低制造成本和提升整體效率奠定了基礎(chǔ)。

3. 加工要求

3.1 切割策略

機(jī)器設(shè)計(jì)和電極制造方法以及電池單元的幾何形狀決定著切割策略，因此也是限制切割速度的主要因素。一般來(lái)說(shuō)，電池箔的裁剪可采用不同類(lèi)型的切割工藝：沖切、分切和分離（見(jiàn)圖 2）。在本文中，我們將重點(diǎn)關(guān)注沖切工藝，因?yàn)樵摴に嚰瓤梢宰屛覀冇^察到裸露的金屬表面，也可以觀察到薄膜的整個(gè)涂覆區(qū)域。此外，這種工藝通常要求機(jī)器采用最高的卷對(duì)卷加工速度，因此是非常高效的飛行加工工藝。 

3.2 材料構(gòu)成和厚度

圖 2：切割速度取決于具體的切割策略

電極是一種由多種材料組成的系統(tǒng)，由基材（集流體）以及頂部和底部的活性涂層構(gòu)成?；暮屯繉拥暮穸纫蛑圃焐潭?。陽(yáng)極的銅基材厚度在 5 至 15 μm 之間，兩面都涂有活性材料（石墨）。待切割陽(yáng)極的總厚度在 100 至

150 μm 之間。

圖 3：沖切的不同應(yīng)用

根據(jù)具體的應(yīng)用（見(jiàn)圖 3），不同的材料和待切割厚度對(duì)應(yīng)的參數(shù)也不同。使用功率為 1 kW 的單模 CW（連續(xù)）光纖激光器，可在高達(dá) 20 m/s 的速度下切割厚度僅為 10 μm 的無(wú)涂層銅，而且切割質(zhì)量上乘。然而，在切割所有層時(shí)，由于總厚度較厚并且激光與材料之間存在各種相互作用，切割速度和切割質(zhì)量會(huì)明顯下降。本文重點(diǎn)討論更復(fù)雜的工藝，即切割圖 3 右側(cè)所示的兩個(gè)區(qū)域。

3.3 切割質(zhì)量和速度

汽車(chē)電池電極切割需要達(dá)到很高的質(zhì)量，具體體現(xiàn)為：幾何精度出色、毛刺少、間隙寬度均勻、飛濺物和碎屑少以及熱影響區(qū) (HAZ) 小。如果飛濺物和碎屑較多，不僅會(huì)影響電池效率，在最嚴(yán)重的情況下還會(huì)導(dǎo)致隔膜被刺穿，最終對(duì)電池單元造成災(zāi)難性破壞。切割質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)“熱影響區(qū) (HAZ)”、“間隙”和“毛刺”如圖 4 所示。

圖 4：激光切割后電池箔的截面示意圖

除了達(dá)到預(yù)定切割質(zhì)量外，通常還要求平均切割速度超過(guò) 1 m/s，這樣才能與模切工藝競(jìng)爭(zhēng)。切割速度和質(zhì)量可以分別針對(duì)有涂層區(qū)域和無(wú)涂層區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化。然而，同時(shí)切割有涂層和無(wú)涂層兩個(gè)區(qū)域（稱(chēng)為極耳切割） 時(shí)，則需要在速度與質(zhì)量之間進(jìn)行折中。

3.4 激光切割工藝

雖然以 HAZ、間隙和毛刺作為標(biāo)準(zhǔn)的切割質(zhì)量通常可以通過(guò)熔化切割和氧化切割等輔助氣體驅(qū)動(dòng)的切割工藝進(jìn)行優(yōu)化，但這些技術(shù)需要使用固定式光學(xué)切割頭。這種切割頭在工作時(shí)需靠近目標(biāo)，速度受慣性矩限制，因此不適合對(duì)電極進(jìn)行沖切切割。這種卷對(duì)卷制程所涉及高動(dòng)態(tài)特性，要求在汽化驅(qū)動(dòng)的遠(yuǎn)程切割工藝中使用基于振鏡的掃描頭（見(jiàn)圖 5）。雖然在工業(yè)上 2D 和 3D 掃描系統(tǒng)都可用于這一領(lǐng)域，但仔細(xì)選擇適合的振鏡、振鏡調(diào)整方法、伺服控制方法和光學(xué)元件是取得成功的關(guān)鍵。所做的選擇對(duì)可實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)性能、最大速度、定位精度、重復(fù)精度、熱漂移和長(zhǎng)期漂移、光學(xué)焦散參數(shù)都有至關(guān)重要的影響，而所有這些因素又都直接影響并決定著可實(shí)現(xiàn)的切割速度和質(zhì)量。在本文實(shí)驗(yàn)中，我們選擇了一個(gè)具有 21 mm 光圈的雙軸數(shù)字掃描頭，并搭配使用了四種不同的F-Theta 鏡頭。

圖 5：遠(yuǎn)程激光切割配置中的 FIREFLY3D 全數(shù)字 3 軸掃描頭（左）與 VERSIA 混合型 2 軸掃描頭（右）

4. 實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)配置和步驟

實(shí)驗(yàn)中采用了三種不同類(lèi)型的激光器切割陽(yáng)極材料：連續(xù) (CW) 光纖激光器、短脈沖 (ns) 光纖激光器和超短脈沖(ps) 自由空間激光器。CW 光纖激光器搭配使用了兩種不同的 f-Theta 鏡頭，其焦距分別為 163 mm（如圖 6 所示） 和 340 mm，目的在于比較焦點(diǎn)光斑直徑的影響。使用皮秒激光器并分別以 100 kHz 和 1000 kHz 的頻率施加脈沖， 研究脈沖能量的影響。各種實(shí)驗(yàn)配置的特性見(jiàn)圖 6。

圖 6：激光器配置特性

所有實(shí)驗(yàn)均在相同條件下進(jìn)行。在激光源設(shè)置為最大功率的情況下，使用振鏡將電極箔切割為 30 mm 長(zhǎng)的長(zhǎng)條。在實(shí)驗(yàn)中，僅評(píng)估對(duì)整個(gè)電極結(jié)構(gòu)（包括頂部涂層、基材和底部涂層）進(jìn)行的切割。切割測(cè)試一次性完成，以簡(jiǎn)化飛行加工工藝。

圖 7 展示了實(shí)驗(yàn)配置，即將 163 mm F-Theta 鏡頭和 CW 光纖激光器搭配使用，并將其與機(jī)械臂處理系統(tǒng)相連。

5. 結(jié)果

5.1 無(wú)涂層基材

圖 8 展示了激光切割后無(wú)涂層銅集流體的頂部和底部。使用數(shù)字顯微鏡 (Keyence VHX-2000) 對(duì)切割質(zhì)量進(jìn)行了視覺(jué)檢查。所有圖像均在相同的放大倍率下拍攝，比例尺顯示在右上角。涂層箔區(qū)域的結(jié)果見(jiàn)圖 10。第一行（頂部）所示為激光入射面，第二行（底部）所示為激光出射面。各列顯示的是所用配置和激光功率以及達(dá)到的最大切割速度。

圖 8：僅切割 10 μm 厚基材（銅）時(shí)的陽(yáng)極切割結(jié)果

使用 CW 激光器可達(dá)到最大的切割速度。然而，CW  激光器切割結(jié)果還顯示切割邊緣有熔化的跡象，在圖像中表現(xiàn)為毛刺。由于 CW 激光器的平均功率很高，切割速度可以高達(dá)每秒數(shù)米。CW  激光器的切割結(jié)果顯示完全沒(méi)有變色的現(xiàn)象。

脈沖納秒激光器的熔化現(xiàn)象較少，但切割邊緣磨損較為嚴(yán)重，并且頂部和底部都會(huì)出現(xiàn)變色現(xiàn)象。

就質(zhì)量而言，使用脈沖皮秒激光器切割無(wú)涂層銅箔（陽(yáng)極集流體）的效果最好，但速度也最慢。切割性能低的原因在于平均功率較低。將脈沖重復(fù)頻率從 100 kHz 提高到 1000 kHz，切割速度會(huì)略有提高，同時(shí)兩側(cè)的變色現(xiàn)象

也會(huì)顯著減少。在 0.65 m/s 的低切割速度下使用 1000 kHz 的高脈沖重復(fù)頻率時(shí)，脈沖重疊率很高，使得皮秒激光器的切割效果與 CW 激光器類(lèi)似。

使用激光掃描顯微鏡 (Keyence VK-X210) 進(jìn)行輪廓測(cè)量。無(wú)涂層電極的測(cè)量結(jié)果如圖 9 所示，涂層電極的測(cè)量結(jié)果如圖 11 所示。

圖 9：僅切割基材（銅）時(shí)切割后陽(yáng)極的輪廓測(cè)量結(jié)果

C焦W距激鏡光頭器相在比底，部產(chǎn)產(chǎn)生生的了毛高刺度略達(dá)少1。9 μ頂m部的似毛乎刺沒(méi)，有幾毛乎刺是。銅基材厚度 (10 μm) 的兩倍。163 mm f-theta 鏡頭與 340 mm

納秒激光器在頂部和底部都產(chǎn)生了小毛刺，但毛刺高度都低于銅基材厚度。

皮秒激光器在 100 kHz 脈沖重復(fù)頻率下產(chǎn)生的毛刺高度最小。將脈沖重復(fù)頻率提高到 1000 kHz，會(huì)在頂部產(chǎn)生

3 μm 高的小毛刺，在底部產(chǎn)生 5 μm 高的小毛刺。

使用平均功率為 1000 W 的高亮度 CW 激光器，搭配 163 mm f-theta 鏡頭時(shí)，陽(yáng)極電極的切割速度可達(dá) 8.5 m/s。搭配 340 mm f-theta 鏡頭時(shí)，切割速度可提高到 10 m/s。初看之下這可能會(huì)令人驚訝，因?yàn)?163 mm 鏡頭產(chǎn)生的焦點(diǎn)光斑直徑是 340 mm 鏡頭的一半，因此在目標(biāo)上產(chǎn)生的強(qiáng)度 (W/mm2) 是 340 mm 鏡頭的 4 倍。這可以用兩種配置的瑞利長(zhǎng)度來(lái)解釋。163 mm 鏡頭產(chǎn)生的焦點(diǎn)光斑直徑較小，為 22 μm，但同時(shí)，該鏡頭的瑞利長(zhǎng)度最大為260 μm。在光學(xué)性能既定的情況下，163  mm  鏡頭對(duì)焦點(diǎn)位置的變化（例如安裝公差和對(duì)準(zhǔn)偏差或箔片起皺等）極為敏感。比較 163 mm 和 340 mm f-theta 鏡頭，焦距更長(zhǎng)的 340 mm 鏡頭產(chǎn)生的光斑直徑為 45 μm，是 163 mm 鏡頭產(chǎn)生的光斑直徑的兩倍。不過(guò)，340 mm 鏡頭的瑞利長(zhǎng)度為 1250 μm，幾乎是 163 mm 鏡頭瑞利長(zhǎng)度的 5 倍。瑞利長(zhǎng)度更長(zhǎng)可確保切割過(guò)程即使在高速下也能保持穩(wěn)定，這對(duì)工業(yè)制造非常有利。

由于平均激光功率有限，脈沖激光器的最大切割速度也相應(yīng)降低。對(duì)于納秒激光器，由于平均激光功率為200 W，

切割速度最大為 3.2 m/s。而對(duì)于皮秒激光器，平均功率為 45 W，切割速度在 100 kHz 時(shí)降至 0.45 m/s，在 1000 kHz

時(shí)降至0.65 m/s。 

5.2 有涂層基材

圖 10：同時(shí)切割基材和活性材料的陽(yáng)極切割結(jié)果，厚度為 130 μm

對(duì)于無(wú)涂層銅基材，變色因所用激光器的不同而異，而石墨涂層基材與此相反，使用所有類(lèi)型的激光器都會(huì)在

HAZ 出現(xiàn)變色現(xiàn)象。

利用激光掃描顯微鏡進(jìn)行的輪廓測(cè)量，可以清晰地觀察切割質(zhì)量。

圖 11：切割后涂層銅陽(yáng)極的輪廓測(cè)量

CW 激光器和皮秒激光器在高脈沖重復(fù)頻率下，在頂部產(chǎn)生的間隙最小。間隙也稱(chēng)為箔片暴露。納秒激光器產(chǎn)生的間隙是 CW 激光器產(chǎn)生的間隙的兩倍。當(dāng)皮秒激光器以 100 kHz 的頻率工作時(shí)，產(chǎn)生的間隙與納秒激光器產(chǎn)生

的間隙相同。當(dāng)皮秒激光器以 1000 kHz 的頻率運(yùn)行時(shí)，在電極底部產(chǎn)生的間隙最小。 9

6. 總結(jié)

鋰離子電池的性能受電極切割面質(zhì)量的影響，電極切割面的質(zhì)量關(guān)系到電池單元的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。質(zhì)量和速度一直是一對(duì)矛盾體，在不犧牲質(zhì)量的前提下提高速度并非易事。

當(dāng)然，切割質(zhì)量是最重要的評(píng)估參數(shù)，理想情況下切割面應(yīng)無(wú)毛刺、無(wú)飛濺物和熔融沉積物。遠(yuǎn)程激光切割是一種非接觸式工藝，在多個(gè)方面都展現(xiàn)了卓越的性能，其切割速度快、加工時(shí)間短并能靈活適應(yīng)所需幾何形狀。然而，由于遠(yuǎn)程激光切割的物理原理限制，切割質(zhì)量在間隙和毛刺這兩個(gè)方面存在一些挑戰(zhàn)。本文展示的結(jié)果清楚地概括了不同類(lèi)型激光器可達(dá)到的切割速度。

切割實(shí)驗(yàn)中使用了三種不同類(lèi)型的激光器：連續(xù) (CW) 光纖激光器、短脈沖 (ns) 光纖激光器和超短脈沖 (ps) 自由空間激光器。

CW 激光器搭配長(zhǎng)焦距鏡頭 (340 mm) 時(shí)，最大切割速度可達(dá) 10 m/s。相比之下，短焦距鏡頭 (163 mm) 在相同激光功率水平下的最大切割速度為 8.5 m/s。之所以能達(dá)到更大的切割速度，是因?yàn)?340 mm f-theta 鏡頭的瑞利長(zhǎng)度更長(zhǎng)，能覆蓋更大的公差，從而使切割過(guò)程更加穩(wěn)定。

使用脈沖納秒激光器切割陽(yáng)極電極時(shí)，最大速度可達(dá) 3.2 m/s。與 CW 激光器相比，切割速度似乎非常慢，但使用的納秒激光器的平均功率為 200 W，是所用 CW 激光器的五分之一。如果將脈沖納秒激光器升級(jí)到平均功率為1000 W 的工業(yè)用大功率系統(tǒng)，在兩種激光器光束特性相當(dāng)?shù)那闆r下，則切割速度可高達(dá)  16  m/s，切割質(zhì)量也可達(dá)到本文所展示的水平。

皮秒激光器的加工質(zhì)量最高。測(cè)試中所用皮秒激光器的平均功率為 45 W，使可達(dá)到的最大切割速度降至 0.65 m/s。平均功率為 200 W 的工業(yè)用皮秒激光器，切割速度應(yīng)可達(dá)到 2.8 m/s。將皮秒激光器升級(jí)后，切割速度仍為 CW 激光器的十五分之一，為升級(jí)后納秒激光器的五分之一。

圖 12：所測(cè)試的陽(yáng)極切割激光器的定性排名

通常來(lái)說(shuō)，選擇合適的激光器取決于加工目標(biāo)，以及投資成本與切割質(zhì)量和速度之間的權(quán)衡。使用皮秒激光器進(jìn)行高質(zhì)量切割的速度較慢，只能在卷筒速度約為 50 至 60 m/min 時(shí)使用，具體取決于極耳的幾何形狀。此外，皮秒激光器的投資成本也很高。CW（連續(xù)波）光纖激光器切割速度快，切割質(zhì)量好，投資成本低。高功率脈沖納     秒光纖激光器的切割速度最大，但切割質(zhì)量中等，投資成本中等。若要提高切割質(zhì)量，可以研究使用不同的切割策略，例如使用基于高性能振鏡的系統(tǒng)進(jìn)行多通道切割。

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