電池極片激光切割工藝優(yōu)化
新能源電動汽車采用磷酸鐵鋰極片作為儲能裝置,這種材料具有超長壽命、循環(huán)性能好、更穩(wěn)定、安全性高、高溫性能好、自放電小、自放電率極低、資源豐富、成本廉價且更環(huán)保等優(yōu)點。動力電池極片是新能源電動汽車的核心部件之一,每輛電動汽車都要將大量的電池極片疊加在一起,然后封裝在特制的盒子里面作為電動汽車的儲能裝置,所以封裝極片的切割質(zhì)量直接影響電池使用壽命及電池質(zhì)量。
傳統(tǒng)切割和光纖激光切割
1.傳統(tǒng)切割方法的缺點
動力電池極片是將磷酸鐵鋰材料均勻涂覆在銅箔(負極)和鋁箔(正極)的兩側(cè),然后通過切割設備將極片切割成特定的形狀。目前,國內(nèi)一些汽車生產(chǎn)企業(yè)中試線上用的切割設備大多是采用沖切和滾切設備。采用沖切和滾切設備切割電池極片時,切出來的極片毛刺比較多(特別是負極片),切邊掉粉嚴重,極大地影響了電池極片的應用。此外,這兩種切割設備中的刀模需要頻繁更換,不利于大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn),同時也增加了設備后期的維護成本,此缺點嚴重限制了汽車動力電池的生產(chǎn)和應用, 延長了快速使用周期,亟需一種新的切割設備來替代它。
2.光纖激光切割的優(yōu)點
光纖激光器具有接近衍射極限的光束質(zhì)量、高能量轉(zhuǎn)換效率、高穩(wěn)定性、幾乎免維護、超長的適用壽命以及體積小等優(yōu)點,已經(jīng)廣泛應用于激光切割、焊接和打標等工業(yè)制造領域。光纖激光切割設備采用光纖激光器作為光源,激光器輸出激光經(jīng)過準直、擴束和聚焦之后,將光斑直徑聚焦到數(shù)十個微米甚至幾個微米,很適合于精細切割。光纖激光切割設備采用非接觸式切割方式,切縫窄、熱影響區(qū)小、切邊光滑且切割速度快,其諸多優(yōu)點恰好可以滿足電池極片的快速切割和質(zhì)量提升,是傳統(tǒng)模切和滾切設備的理想替代設備。
電池極片切割原理
汽車動力電池極片采用銅箔和鋁箔作為基底材料,將磷酸鐵鋰材料均勻涂覆在箔片的兩側(cè)。極片的厚度約為150mm,其中銅箔的厚度為12mm,鋁箔的厚度為20mm。要進行電池極片切割,關鍵是要切透銅箔和鋁箔。對于這么薄的金屬材料,只能采用汽化切割方式。銅和鋁都是高反射材料,屬于比較難切割的金屬材料。金屬材料對激光的吸收率隨著波長減小而逐漸增大;對于鋁箔和銅箔的切割,采用激光的波長越短,切割效率就越高。鋁對1064nm激光的吸收效率約為5%,對于10.6nm的CO2激光的吸收率約1.7%,銅對1064nm激光的吸收效率更低。所以,采用1064nm的激光對電池極片切割是比較理想的選擇。目前,能夠產(chǎn)生1064nm激光的工業(yè)用激光器有Nd:YAG激光器和光纖激光器,Nd:YAG激光器輸出一般為多模激光,經(jīng)過聚焦鏡后聚焦的光斑直徑較大,切割時會產(chǎn)生較大的熱影響區(qū),不適合于汽車動力電池極片的切割。采用光纖激光器和光纖激光切割頭將光斑直徑聚焦到一二十個微米,此時,光斑處激光的功率密度達到108W/cm2以上,當激光聚焦到電池極片材料上時,材料立即發(fā)生氣化。
電池極片切割實驗
奇瑞汽車股份有限公司分別采用振鏡方式和切割頭方式對電池極片、銅箔和鋁箔(電池極片的基底材料)進行了光纖激光切割實驗。
1.采用振鏡切割
(1)電池極片 使用脈沖光纖激光器,采用振鏡打標方式切割電池極片。電池極片切縫寬度約為三十幾微米,切邊非常光滑,基本上無掉粉現(xiàn)象,切邊熱影響區(qū)非常小。負極片切邊斷面放大圖和負極片切縫放大圖如圖1、圖2所示。圖2中的顯示存在熱影響區(qū)不均勻的現(xiàn)象是由于沒有采用負壓板,極片表面不平整造成振鏡離焦所致。
圖1 負極片切邊斷面放大200倍
圖2 負極片切縫放大200倍
(2)銅箔和鋁箔 電池極片的耳部為銅箔或鋁箔(見圖3、圖4),沒有磷酸鐵鋰涂層,主要用于對電池充放電。相對于有涂覆層的部分,耳部對激光的吸收率會更低,因此,我們對銅箔和鋁箔單獨進行了切割實驗。采用脈沖光纖激光器完成了銅箔和鋁箔的切割,切割速度均達到100mm/s以上,切邊光滑。
2.采用切割頭切割
光纖激光器輸出激光經(jīng)過準直和擴束之后,采用光纖激光切割頭將激光束聚焦,對電池極片進行激光切割。這種切割方式能采用短聚焦透鏡,聚焦光斑比采用振鏡時更小,光斑處激光功率密度更大,能夠提高切割速度。另外,采用切割頭切割使得在極片切割時,激光入射傾角始終保持不變,而且可以采用垂直切割方式,能夠有效提高材料對激光的吸收效率。采用切割頭切割,便于采用二維切割平臺進行大幅面的切割,提高設備的切割速度,從而提高設備的生產(chǎn)效率。負極片放大圖和正極片放大圖如圖5、圖6所示。
結束語
光纖激光切割設備采用非接觸式切割方式,切割的汽車動力電池極片具有切縫窄、熱影響區(qū)小、切邊光滑且切割速度快等優(yōu)點,能有效解決傳統(tǒng)模切和滾切方式中出現(xiàn)的問題,是其理想替代設備。隨著新能源電動汽車的廣泛應用,光纖激光切割汽車動力電池設備必將得到廣泛的應用。
-
汽車車身焊接技術任務
2025-05-29 -
鎂合金汽車焊接技術攻堅
2025-05-29 -
熟背鋁合金焊接口訣,秒殺一切焊接難題
2024-07-25 -
激光焊接技術
2024-07-10
編輯推薦
最新資訊
-
跨越速運憑什么“圈粉”萬千客戶?“
2025-07-01 14:42
-
數(shù)智破局啟新篇?生態(tài)共生再啟程 —
2025-06-27 20:13
-
助力汽車零部件產(chǎn)線智能化升級,西門
2025-06-27 13:59
-
BBA集體轉(zhuǎn)向!放棄全面電動化
2025-06-26 17:32
-
比換柜省錢,比自研省心,西門子Xcel
2025-06-25 15:07