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电池极片激光切割工艺优化

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放大字体  缩小字体    发布日期:2017-03-25  作者:徐海峰 许 成 文章来源:奇瑞汽车股份有限公司  
目前新能源汽车已成为汽车产业趋势之一,同样其核心部分——动力电池的生产工艺也成为重要的工艺组成部分,良好的电池极片质量直接决定电池储能效果及寿命,选择一种最优的极片切割生产工艺对确保电池质量来说尤为重要。

新能源电动汽车采用磷酸铁锂极片作为储能装置,这种材料具有超长寿命、循环性能好、更稳定、安全性高、高温性能好、自放电小、自放电率极低、资源丰富、成本廉价且更环保等优点。动力电池极片是新能源电动汽车的核心部件之一,每辆电动汽车都要将大量的电池极片叠加在一起,然后封装在特制的盒子里面作为电动汽车的储能装置,所以封装极片的切割质量直接影响电池使用寿命及电池质量。

传统切割和光纤激光切割

1.传统切割方法的缺点

动力电池极片是将磷酸铁锂材料均匀涂覆在铜箔(负极)和铝箔(正极)的两侧,然后通过切割设备将极片切割成特定的形状。目前,国内一些汽车生产企业中试线上用的切割设备大多是采用冲切和滚切设备。采用冲切和滚切设备切割电池极片时,切出来的极片毛刺比较多(特别是负极片),切边掉粉严重,极大地影响了电池极片的应用。此外,这两种切割设备中的刀模需要频繁更换,不利于大规模连续化生产,同时也增加了设备后期的维护成本,此缺点严重限制了汽车动力电池的生产和应用, 延长了快速使用周期,亟需一种新的切割设备来替代它。

2.光纤激光切割的优点

光纤激光器具有接近衍射极限的光束质量、高能量转换效率、高稳定性、几乎免维护、超长的适用寿命以及体积小等优点,已经广泛应用于激光切割、焊接和打标等工业制造领域。光纤激光切割设备采用光纤激光器作为光源,激光器输出激光经过准直、扩束和聚焦之后,将光斑直径聚焦到数十个微米甚至几个微米,很适合于精细切割。光纤激光切割设备采用非接触式切割方式,切缝窄、热影响区小、切边光滑且切割速度快,其诸多优点恰好可以满足电池极片的快速切割和质量提升,是传统模切和滚切设备的理想替代设备。

电池极片切割原理

汽车动力电池极片采用铜箔和铝箔作为基底材料,将磷酸铁锂材料均匀涂覆在箔片的两侧。极片的厚度约为150mm,其中铜箔的厚度为12mm,铝箔的厚度为20mm。要进行电池极片切割,关键是要切透铜箔和铝箔。对于这么薄的金属材料,只能采用汽化切割方式。铜和铝都是高反射材料,属于比较难切割的金属材料。金属材料对激光的吸收率随着波长减小而逐渐增大;对于铝箔和铜箔的切割,采用激光的波长越短,切割效率就越高。铝对1064nm激光的吸收效率约为5%,对于10.6nm的CO2激光的吸收率约1.7%,铜对1064nm激光的吸收效率更低。所以,采用1064nm的激光对电池极片切割是比较理想的选择。目前,能够产生1064nm激光的工业用激光器有Nd:YAG激光器和光纤激光器,Nd:YAG激光器输出一般为多模激光,经过聚焦镜后聚焦的光斑直径较大,切割时会产生较大的热影响区,不适合于汽车动力电池极片的切割。采用光纤激光器和光纤激光切割头将光斑直径聚焦到一二十个微米,此时,光斑处激光的功率密度达到108W/cm2以上,当激光聚焦到电池极片材料上时,材料立即发生气化。

电池极片切割实验

奇瑞汽车股份有限公司分别采用振镜方式和切割头方式对电池极片、铜箔和铝箔(电池极片的基底材料)进行了光纤激光切割实验。

1.采用振镜切割

(1)电池极片 使用脉冲光纤激光器,采用振镜打标方式切割电池极片。电池极片切缝宽度约为三十几微米,切边非常光滑,基本上无掉粉现象,切边热影响区非常小。负极片切边断面放大图和负极片切缝放大图如图1、图2所示。图2中的显示存在热影响区不均匀的现象是由于没有采用负压板,极片表面不平整造成振镜离焦所致。


图1  负极片切边断面放大200倍


图2  负极片切缝放大200倍

(2)铜箔和铝箔 电池极片的耳部为铜箔或铝箔(见图3、图4),没有磷酸铁锂涂层,主要用于对电池充放电。相对于有涂覆层的部分,耳部对激光的吸收率会更低,因此,我们对铜箔和铝箔单独进行了切割实验。采用脉冲光纤激光器完成了铜箔和铝箔的切割,切割速度均达到100mm/s以上,切边光滑。

2.采用切割头切割

光纤激光器输出激光经过准直和扩束之后,采用光纤激光切割头将激光束聚焦,对电池极片进行激光切割。这种切割方式能采用短聚焦透镜,聚焦光斑比采用振镜时更小,光斑处激光功率密度更大,能够提高切割速度。另外,采用切割头切割使得在极片切割时,激光入射倾角始终保持不变,而且可以采用垂直切割方式,能够有效提高材料对激光的吸收效率。采用切割头切割,便于采用二维切割平台进行大幅面的切割,提高设备的切割速度,从而提高设备的生产效率。负极片放大图和正极片放大图如图5、图6所示。

结束语

光纤激光切割设备采用非接触式切割方式,切割的汽车动力电池极片具有切缝窄、热影响区小、切边光滑且切割速度快等优点,能有效解决传统模切和滚切方式中出现的问题,是其理想替代设备。随着新能源电动汽车的广泛应用,光纤激光切割汽车动力电池设备必将得到广泛的应用。

 
 
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