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如鱼得水！超快激光在锂电和太阳能电池领域的应用

超快激光

锂离子电池和太阳能电池作为新能源一代的电池，广泛用于电子产品、民生设施和能源存储等领域 。尤其是我国大力扶持和推进新能源汽车市场后，新能源汽车用锂电池加工也吸引了激光制造业的关注 。
一 超快激光在锂离子电池方面的应用
01
锂电池电极材料激光切割技术
锂离子电池是一种二次电池，主要依靠锂离子在正负极之间移动来工作，其生产过程主要包括电极制作和电芯装配两个步骤 。在锂离子电池的制作过程中，电极材料的切割是电池制造中至关重要的一步，因为电极的切割质量直接影响到电池的安全性能及使用性能 。
近年来，随着激光切割技术开始广泛应用于工业领域，也吸引了锂离子电池制造业的关注 。采用激光切割电极材料可以完全避免机械切割方法加工电极时出现的毛刺、卷边等质量缺陷，从而大大提高了电池的安全性能，同时还可以避免磨损刀具的维修和替换带来的额外成本，此外，激光切割还具有切割边缘洁净、可精确加工等优点 。
然而，在目前长脉冲激光和连续激光切割电极材料的相关研究中，激光切割电极材料后主要存在切缝边缘的分层和热影响区（HAZ）等问题 。
分层即电极切缝边缘的金属层裸露而无涂层覆盖的现象，分层减少了电极表面的活性物质，降低了电极的有效面积，从而导致电池容量下降 。
热影响区即长脉冲激光和连续激光切割电极过程中，输入的激光能量使材料局部受热，导致激光辐照区域附近的温度上升的现象 。热影响区降低了表层材料的活性，且会增大切缝边缘表层材料脱落的风险，进而导致电池容量的降低 。
超快激光具有超短脉冲宽度和超高峰值功率密度的特点，且可以实现“冷加工”的效果，可以大大减小加工过程的热效应，有效避免切割边缘表面的铜污染，获得更好的切割质量 。
2019年，湖南大学张屹等人利用超快激光对锂材料电池的负极材料进行切割，并对其实验参数进行优化后发现，在功率为10.7~34.2 W，切割速度为20~95 mm/s时，切割负极均获得了良好的切割质量，其负极正面和背面的分层宽度和HAZ分别为22~28 μm和51~70 μm，背面分别为11~21 μm和35~40 μm，如图1所示 。

如鱼得水！超快激光在锂电和太阳能电池领域的应用

文章插图
 
图1 功率为10.7W，切割速度为20 mm/s下，利用飞秒激光切割电池负极材料得到的分层宽度和HAZ宽度结果图
02
锂电池极耳激光切割技术
在锂电池的极耳加工环节中，传统的五金模切技术存在的瓶颈就已日益凸显，包括加工效率低、应用灵活性差等问题，已无法适应智能制造的发展要求，取而代之的激光极耳切割技术则成为了降低动力锂电池极耳片生产成本，提升产品稳定性的新路径 。
激光在锂电池极片上切割出正负极耳朵时，切割效果会直接影响锂电池的安全性 。切割毛刺、热影响区和漏金属区过大，都可能影响锂电池的性能，而超快激光特有的“冷加工”特性恰能解决该问题 。
2019年，全球电动出行创新大会&金砖锂电论坛上，盛雄激光市场总监叶峰在演讲中提出，其团队将纳秒切割与皮秒切割进行对比发现，纳秒在切极耳时热影响为40 μm左右，且在切割表面存在熔珠；而使用皮秒进行切割时，其热影响区仅为10 μm，且不存在熔珠现象，因此超快激光加工可以获得更高质量、更高稳定性和更优品质的锂电池极耳 。
03
锂电池三维结构电极的激光制备
锂电池因其较高的性价比成为市场应用中最为广泛的电池之一，但它依然存在着一些急需改进的缺陷，其中一个核心问题是锂电池的电流方向所导致的问题 。众所周知，锂电池的电池方向是阳极到阴极的一维扩散，这就导致了电流密度的不均匀性、功率损失、电极接触电阻增高、锂电池充放电引起的膨胀以及机械应力 。
解决这一问题的一个有效方法是采用三维结构的电极，以增加电极的表面面积，并在维持高功率密度的条件下获得大面积储能，通常做法是在硅基板上用刻蚀的方法制作三维结构，但这种方法尚不成熟，且与现有工艺有所冲突 。
鉴于此，青岛自贸激光科技有限公司的曹祥东提出了一种基于超快激光制造三维结构电池的装置和方法，并控制系统在电极上形成了预设三维结构，如图2所示，增加了电池阳极和阴极的表面积，改进电池的电极和电解液的接触和打湿度，并能够与现有电池生产流程无缝衔接，降低了生产成本且提高了电池质量 。


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