鋰電池極耳焊接與極片切割激光工藝分析!

1. 前言

近二十年來，激光加工技術(shù)已成為發(fā)展最快的高新技術(shù)之一，為傳統(tǒng)制造業(yè)改造提供了充足支持。相較于傳統(tǒng)極耳焊接、極片切割模式而言，激光焊接、激光切割模式可以實(shí)現(xiàn)自動化操作，并解決毛刺、露白、掉粉等一系列問題，為鋰電池性能的提升提供依據(jù)。因此，從激光加工技術(shù)的應(yīng)用入手，探究極耳焊接與極片切割工藝具有非常突出的現(xiàn)實(shí)意義。

2. 激光焊接與激光切割的原理

2.1激光焊接

激光焊接主要是將高能量密度激光束作為熱源，在功率密度小于104～105W/cm2時(shí)，經(jīng)熱傳導(dǎo)加熱工件表面，進(jìn)行緩慢焊接，焊接熔深較淺；或者在功率密度超過105～107W/cm2時(shí)，通過控制激光脈沖峰值功率、寬度、重復(fù)頻率、能量促使工件熔化并形成特定熔池，進(jìn)行快速焊接，焊接熔深較大。

2.2激光切割

激光切割主要指利用激光切割材料，需要借助光學(xué)器件，引導(dǎo)輸出高功率激光束。同時(shí)根據(jù)激光器內(nèi)運(yùn)動控制系統(tǒng)跟蹤待切割工件軌跡，對準(zhǔn)材料聚焦激光束，促使材料發(fā)生熔化、蒸發(fā)、燃燒、吹散等反應(yīng)，獲得表面光潔度較高的邊緣。

3. 激光焊接在極耳焊接中的應(yīng)用

3.1焊接裝置選擇

根據(jù)極耳焊接要求，焊接加工者可選擇半自動焊接裝置或全自動焊接裝置。前者主要為手持式激光焊接機(jī)，其主要為圓盤結(jié)構(gòu)，每間隔90°進(jìn)行了V型槽開設(shè)，V型槽內(nèi)可放置電池圓柱體零件，壓緊零件后聚焦激光束至焊接部位，每焊接一個(gè)零件進(jìn)行90°的轉(zhuǎn)動，第二個(gè)焊接點(diǎn)則轉(zhuǎn)動0.50mm；后者則是通過直筒漏斗方式上料，每經(jīng)過一個(gè)“圓坑”、V型槽分別自動放入電池蓋、待焊接電池主體，進(jìn)行自動焊接。常用的激光焊接裝備為SOUPACT緊湊型激光拼焊設(shè)備、泰德激光焊接系統(tǒng)等。

3.2焊接參數(shù)設(shè)置

考慮到當(dāng)前軟包鋰離子電池為多種負(fù)極鋁與銅匯流片焊接模式，銅極耳厚度在0.2–0.5mm左右，鋁極耳焊接厚度在0.2～0.6mm左右。因此，在激光焊接極耳時(shí)，需要設(shè)定激光波長為1064nm，激光功率為110W～200W，光斑28μm，激光掃描速度與脈沖頻率分別為500mm/s、200kHz，重復(fù)頻率為0.4～20MHz，脈沖寬度為50–120ns。并控制極耳焊接縫隙寬度在1.2～2.4mm內(nèi)，焊接縫隙深度在1.2～1.8mm內(nèi)。同時(shí)保證極耳寬度精度與極耳間距精度、極耳高度精度均小于等于±0.15mm。

3.3焊接過程控制

當(dāng)前，在極耳激光焊接過程中，半自動焊接方法應(yīng)用較少，以全自動焊接較為常見。

在全自動焊接過程中，焊接流程如下：如圖1所示，首先需要啟動裝置，開展待焊接零部件位置的檢測，只有電池蓋、待焊接電池主體均處于正確位置，方可啟動焊接、轉(zhuǎn)平、下料、移位等工序。

其次，在確定焊接零部件位置正確后，需要完成極耳的自動轉(zhuǎn)平操作。因電池主體為自動放入，無法保證極耳處于水平位置，此時(shí)，就需要利用光電檢測方式，待極耳轉(zhuǎn)入水平位置后自動停止，保證后續(xù)壓緊、焊接操作正常開展。同時(shí)因極耳對焊接平直度具有較高的要求，需要利用電磁去除裝置將存在彎曲、扭動等與標(biāo)準(zhǔn)不相符的電池零件自動去除，防控“焊廢”現(xiàn)象。

再次，在壓緊過程中，主要依靠自動壓緊裝置，多為微機(jī)控制的四連桿式電磁自動機(jī)構(gòu)，可在焊接前壓緊極耳、安全閥，為激光穿透式焊接提供良好的條件。因每一鋰電池焊接點(diǎn)位為2個(gè)（距離在0.50mm左右），因此，為保證電極接觸的可靠性、安全性，需要重復(fù)啟動2次壓緊機(jī)構(gòu)并進(jìn)行激光器的2次焊接。

最后，焊接完畢后，將電池轉(zhuǎn)入下道工序，實(shí)現(xiàn)自動下料。一般自動下料機(jī)構(gòu)為永磁滾筒刮板滑道式，可以在角度、位置恰當(dāng)?shù)那闆r下，由磁鐵吸附電池滾筒促使電池體由刮板進(jìn)入彎曲下降的滑梯式滑道，經(jīng)滑道進(jìn)入下一道工序。

4. 激光切割在極片切割中的應(yīng)用

4.1切割設(shè)備選擇

根據(jù)鋰電池極片材質(zhì)，可以選擇不同的鋰電池極片切割系統(tǒng)。比如，對于鋰電池負(fù)極銅箔，可以選擇1064nmMOPA型光纖激光器，其峰值功率密度為2.4×106W/mm2，可以通過對種子源的電進(jìn)行調(diào)制，在兆赫茲工作頻率內(nèi)實(shí)現(xiàn)幾納米到幾十納米的“窄脈寬”切割。再如，對于鋰電池正極鋁箔，可以選擇脈沖達(dá)到皮秒級的皮秒激光器，其可以通過進(jìn)行種子源鎖模，獲得超窄脈沖信號。進(jìn)而經(jīng)放大級別輸出，在幾十兆赫茲工作頻率內(nèi)實(shí)現(xiàn)幾納米的“超窄脈寬”切割。同時(shí)皮秒激光器可以利用三倍頻技術(shù)，將1064nm近紅外激光向355nm紫外光、532nm綠光轉(zhuǎn)化，滿足多種類別材料加工需求，并在激光脈寬小于材料電－聲弛豫時(shí)間時(shí)實(shí)現(xiàn)“冷加工”。

4.2切割參數(shù)設(shè)置

在應(yīng)用1064nmMOPA型光纖激光器切割8.0μm銅箔（鋰電池負(fù)極）時(shí)，可以設(shè)定脈寬為20ns，工作頻率與單脈沖能量分別為760kHz、0.13mJ，改善銅箔切割毛刺問題，并將毛刺尺寸控制在10μm內(nèi)，同時(shí)減少鋰電池銅箔極片切割飛濺、熔融層尺寸誤差。部分情況下，為了減少熔融層“魚鱗紋”現(xiàn)象，也可以將脈沖頻率進(jìn)行進(jìn)一步提高，杜絕熔融重新凝結(jié)層。需要注意的是，在將脈寬一定、調(diào)高平均功率的同時(shí)，還需要根據(jù)激光器聚焦需要，調(diào)整焦點(diǎn)光斑直徑為60μm，調(diào)整銅箔切割時(shí)振鏡走筆速度為800mm/s?？紤]到銅箔具有高熱導(dǎo)率，材料吸收的激光能量不僅可以發(fā)生熔融汽化切口，而且可以沿著切口向材料內(nèi)部、周邊傳遞，形成熔融區(qū)、熱擴(kuò)散區(qū)多個(gè)區(qū)域。一般熔融區(qū)下方會出現(xiàn)顯著的亮白色+紅色+黃色熱影響帶，由近切口段向遠(yuǎn)處分布。

在應(yīng)用9.1W皮秒激光器532nm綠光激光器切割鋁箔正負(fù)極片時(shí)，可以設(shè)定脈寬為10ps，切割速度為1000mm/s，重復(fù)頻率為300kHz，縮小正極片熔融重新凝結(jié)區(qū)域，減弱熔融區(qū)下方亮白色+紅色+黃色熱影響帶，消除白色光亮層、紅色熱擴(kuò)散層。而對于銅箔正負(fù)極片，因其電聲弛豫時(shí)間為57.5ps＞10ps（激光脈寬），極易致使電子獲得能量無法滿足與晶格完全交換熱量需求，因此，可以依托高能激光環(huán)境，圍繞最外層電子大量能量電離與內(nèi)層電子碰撞電離過程，以高價(jià)正電母離子帶離為對象，觀察切口熱效應(yīng)。根據(jù)觀察結(jié)果，進(jìn)行切割參數(shù)的調(diào)整，或者進(jìn)行輔助氣體的應(yīng)用，如將常溫輔助氣體變更為低溫輔助氣體等。

4.3切割過程控制

在鋰離子電池極片激光切割過程中，常用的切割方法為立式、臥式，前者用于疊片式電池切割，需要在傳輸帶上水平運(yùn)輸極片，在極片到達(dá)激光發(fā)射裝置下進(jìn)行切割；后者多用于卷繞式電池極片切割，并通過在極片上方設(shè)置吸塵罩及時(shí)吸附切割過程中產(chǎn)生的粉塵?？紤]到在極片上方吸塵的方式極易導(dǎo)致極片切割不平整、切割精度下降問題出現(xiàn)，可以通過激光發(fā)射裝置、水平傳輸驅(qū)動裝置、鋰離子電池極片切割吸附裝置、切割模塊循環(huán)輸送裝置運(yùn)行過程的嚴(yán)格控制，去除極片上方吸塵罩，保證極片切割精度。即將鋰離子電池極片切割吸附裝置設(shè)置在驅(qū)動模塊傳輸?shù)匿囯x子電池極片上方，促使其在循環(huán)輸送模塊第一輸送帶邊緣與鋰離子電池極片同時(shí)移動。在切割模塊移動到切割位置后，由控制器直接啟動激光發(fā)射裝置，對鋰離子電池極片切割。對于電池極片切割過程中出現(xiàn)的廢渣則通過切割模塊上設(shè)置的切割軌跡槽排出，同時(shí)通過切割模塊中設(shè)置的負(fù)壓通道吸附細(xì)小塵土。

5. 總結(jié)

綜上所述，利用激光加工技術(shù)，可以在保證極耳焊接、激光切割質(zhì)量的同時(shí)，提高加工效率，并降低維護(hù)作業(yè)量，助力鋰電池極片切割、極耳焊接加工效益的提升。因此，在極耳焊接、極片切割過程中，加工者可以根據(jù)加工需求選擇恰當(dāng)?shù)募す馄?，如皮秒激光器、MOPA激光器、紫外激光器等，并進(jìn)行激光器波長、脈寬、最大單脈沖能量等參數(shù)的調(diào)整，保證激光加工優(yōu)勢的充分發(fā)揮。