作者：Eugen Sch?fer，Malte Hemmerich

1. 摘要

本文探討了電動汽車電池單元中陽極材料的遠程激光切割技術(shù)，評估了高亮度激光器在不同工作模式和配置下的性能。在電動汽車電池技術(shù)快速發(fā)展的背景下，電極材料的切割方法對于生產(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）工作模式下進行遠程激光切割的效果，比較了它們的動      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。通過光束入射面和出射面的顯微分析以及激光掃描顯微鏡測量，對切割質(zhì)量和精度進行了全面評估。本文概述了實驗過程和研究結(jié)果，同時對未來改進電極制造技術(shù)的可能性提出了見解。

2. 引言

人們對電動交通的日益關(guān)注已使其成為汽車行業(yè)的核心主題，其中的重點是以電力驅(qū)動而不主動排放污染物的車輛。這一轉(zhuǎn)變促使全球所有汽車制造商不斷擴大純電動汽車和混合動力汽車的生產(chǎn)規(guī)模。如今，這兩種類型的汽車都主要依靠鋰離子電池，因此增加了對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的結(jié)構(gòu)，其中包括多層的陽極箔-隔膜-陰極箔結(jié)構(gòu)（見圖 1）。

圖 1：常見的鋰離子電池結(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)上依賴于沖孔和刀片切割等機械切割工藝，這種工藝存在明顯的缺點，如工具磨損、金屬層涂抹現(xiàn)象和輪廓適應性有限等。而改變電極形狀需要重新設(shè)計切割工具，導致成本增加。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)得到了廣泛應用。激光切割具有非接觸和加工速度快等明顯優(yōu)勢，而且切割性能優(yōu)于機械切割。值得注意的是，使用激光切割技術(shù)時，幾何形狀的重新設(shè)計簡單、成本效益高，而且該技術(shù)非常適合卷對卷工藝，這些特性都進一步凸顯了其相對于機械工藝的優(yōu)越性。

雖然涂層銅陽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極箔材料切割相關(guān)的挑戰(zhàn)和進展。由于陽極箔切割涉及的范圍廣泛、參數(shù)復雜，加上需要進行詳細的顯微分析，有必要重點關(guān)注。但是，必須承認改進陰極材料切割方法同樣重要。因此，我們還在實驗室中針對陰極處理工藝進行了與本文所述陽極處理工藝規(guī)模類似的測試，如有合作伙伴對此感興趣，歡迎與我們溝通探討。

總之，涂層箔的遠距離激光切割在電池制造中發(fā)揮著重要作用，為提高電動汽車鋰離子電池生產(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

機器設(shè)計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。一般來說，電池箔的裁剪可采用不同類型的切割工藝：沖切、分切和分離（見圖 2）。在本文中，我們將重點關(guān)注沖切工藝，因為該工藝既可以讓我們觀察到裸露的金屬表面，也可以觀察到薄膜的整個涂覆區(qū)域。此外，這種工藝通常要求機器采用最高的卷對卷加工速度，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）。待切割陽極的總厚度在 100 至

150 μm 之間。

圖 3：沖切的不同應用

根據(jù)具體的應用（見圖 3），不同的材料和待切割厚度對應的參數(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 20 m/s 的速度下切割厚度僅為 10 μm 的無涂層銅，而且切割質(zhì)量上乘。然而，在切割所有層時，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)量會明顯下降。本文重點討論更復雜的工藝，即切割圖 3 右側(cè)所示的兩個區(qū)域。

3.3 切割質(zhì)量和速度

汽車電池電極切割需要達到很高的質(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，不僅會影響電池效率，在最嚴重的情況下還會導致隔膜被刺穿，最終對電池單元造成災難性破壞。切割質(zhì)量標準“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

除了達到預定切割質(zhì)量外，通常還要求平均切割速度超過 1 m/s，這樣才能與模切工藝競爭。切割速度和質(zhì)量可以分別針對有涂層區(qū)域和無涂層區(qū)域進行優(yōu)化。然而，同時切割有涂層和無涂層兩個區(qū)域（稱為極耳切割） 時，則需要在速度與質(zhì)量之間進行折中。

3.4 激光切割工藝

雖然以 HAZ、間隙和毛刺作為標準的切割質(zhì)量通?？梢酝ㄟ^熔化切割和氧化切割等輔助氣體驅(qū)動的切割工藝進行優(yōu)化，但這些技術(shù)需要使用固定式光學切割頭。這種切割頭在工作時需靠近目標，速度受慣性矩限制，因此不適合對電極進行沖切切割。這種卷對卷制程所涉及高動態(tài)特性，要求在汽化驅(qū)動的遠程切割工藝中使用基于振鏡的掃描頭（見圖 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，但仔細選擇適合的振鏡、振鏡調(diào)整方法、伺服控制方法和光學元件是取得成功的關(guān)鍵。所做的選擇對可實現(xiàn)的動態(tài)性能、最大速度、定位精度、重復精度、熱漂移和長期漂移、光學焦散參數(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現(xiàn)的切割速度和質(zhì)量。在本文實驗中，我們選擇了一個具有 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. 實驗

4.1 實驗配置和步驟

實驗中采用了三種不同類型的激光器切割陽極材料：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。各種實驗配置的特性見圖 6。

圖 6：激光器配置特性

所有實驗均在相同條件下進行。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 長的長條。在實驗中，僅評估對整個電極結(jié)構(gòu)（包括頂部涂層、基材和底部涂層）進行的切割。切割測試一次性完成，以簡化飛行加工工藝。

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

5. 結(jié)果

5.1 無涂層基材

圖 8 展示了激光切割后無涂層銅集流體的頂部和底部。使用數(shù)字顯微鏡 (Keyence VHX-2000) 對切割質(zhì)量進行了視覺檢查。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到的最大切割速度。

圖 8：僅切割 10 μm 厚基材（銅）時的陽極切割結(jié)果

使用 CW 激光器可達到最大的切割速度。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，切割速度可以高達每秒數(shù)米。CW  激光器的切割結(jié)果顯示完全沒有變色的現(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重，并且頂部和底部都會出現(xiàn)變色現(xiàn)象。

就質(zhì)量而言，使用脈沖皮秒激光器切割無涂層銅箔（陽極集流體）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。將脈沖重復頻率從 100 kHz 提高到 1000 kHz，切割速度會略有提高，同時兩側(cè)的變色現(xiàn)象

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

使用激光掃描顯微鏡 (Keyence VK-X210) 進行輪廓測量。無涂層電極的測量結(jié)果如圖 9 所示，涂層電極的測量結(jié)果如圖 11 所示。

圖 9：僅切割基材（銅）時切割后陽極的輪廓測量結(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少1。9 μ頂m部的似毛乎刺沒，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 脈沖重復頻率下產(chǎn)生的毛刺高度最小。將脈沖重復頻率提高到 1000 kHz，會在頂部產(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，陽極電極的切割速度可達 8.5 m/s。搭配 340 mm f-theta 鏡頭時，切割速度可提高到 10 m/s。初看之下這可能會令人驚訝，因為 163 mm 鏡頭產(chǎn)生的焦點光斑直徑是 340 mm 鏡頭的一半，因此在目標上產(chǎn)生的強度 (W/mm2) 是 340 mm 鏡頭的 4 倍。這可以用兩種配置的瑞利長度來解釋。163 mm 鏡頭產(chǎn)生的焦點光斑直徑較小，為 22 μm，但同時，該鏡頭的瑞利長度最大為260 μm。在光學性能既定的情況下，163  mm  鏡頭對焦點位置的變化（例如安裝公差和對準偏差或箔片起皺等）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，340 mm 鏡頭的瑞利長度為 1250 μm，幾乎是 163 mm 鏡頭瑞利長度的 5 倍。瑞利長度更長可確保切割過程即使在高速下也能保持穩(wěn)定，這對工業(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降低。對于納秒激光器，由于平均激光功率為200 W，

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

時降至0.65 m/s。 

5.2 有涂層基材

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

對于無涂層銅基材，變色因所用激光器的不同而異，而石墨涂層基材與此相反，使用所有類型的激光器都會在

HAZ 出現(xiàn)變色現(xiàn)象。

利用激光掃描顯微鏡進行的輪廓測量，可以清晰地觀察切割質(zhì)量。

圖 11：切割后涂層銅陽極的輪廓測量

CW 激光器和皮秒激光器在高脈沖重復頻率下，在頂部產(chǎn)生的間隙最小。間隙也稱為箔片暴露。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。當皮秒激光器以 100 kHz 的頻率工作時，產(chǎn)生的間隙與納秒激光器產(chǎn)生

的間隙相同。當皮秒激光器以 1000 kHz 的頻率運行時，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)系到電池單元的長期穩(wěn)定性。質(zhì)量和速度一直是一對矛盾體，在不犧牲質(zhì)量的前提下提高速度并非易事。

當然，切割質(zhì)量是最重要的評估參數(shù)，理想情況下切割面應無毛刺、無飛濺物和熔融沉積物。遠程激光切割是一種非接觸式工藝，在多個方面都展現(xiàn)了卓越的性能，其切割速度快、加工時間短并能靈活適應所需幾何形狀。然而，由于遠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型激光器可達到的切割速度。

切割實驗中使用了三種不同類型的激光器：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 激光器搭配長焦距鏡頭 (340 mm) 時，最大切割速度可達 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。之所以能達到更大的切割速度，是因為 340 mm f-theta 鏡頭的瑞利長度更長，能覆蓋更大的公差，從而使切割過程更加穩(wěn)定。

使用脈沖納秒激光器切割陽極電極時，最大速度可達 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?shù)那闆r下，則切割速度可高達  16  m/s，切割質(zhì)量也可達到本文所展示的水平。

皮秒激光器的加工質(zhì)量最高。測試中所用皮秒激光器的平均功率為 45 W，使可達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，切割速度應可達到 2.8 m/s。將皮秒激光器升級后，切割速度仍為 CW 激光器的十五分之一，為升級后納秒激光器的五分之一。

圖 12：所測試的陽極切割激光器的定性排名

通常來說，選擇合適的激光器取決于加工目標，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)進行多通道切割。

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