纳飞光电皮秒激光器如何提升锂离子电池性能

当前，锂离子电池及配套广泛用于电子产品、民生设施、电动汽车和能源存储等领域，并多年保持非常高的出货，需求量高，从而也促使锂离子电池制造厂商寻求开发成本更低、速度更快，且电池更加稳定安全的生产解决方案。

锂离子电池采用分层式结构，由电池箔、隔离材料以及电解质组成，电池箔由金属基材和活性材料涂层组成（分切后为电极片），阳极的金属基材通常为铜，阴极通常为铝。锂离子电池生产主要包括电极制作和电芯装配两个步骤，其中电极材料的切割是关键，切割速度的快慢关系到生产效率，切割边缘的质量则可影响电池的最终安全性和实用性。  

电极材料的切割又可包括极片分切和极耳切割成型等工序（现在锂离子电池已经开发出全极耳品类，对切割要求更高）。传统的切割工艺主要为机械模切工艺，有模具损耗快、换模时间长、灵活性差和生产效率低等局限性，导致极片裁切品质差，生产工艺不稳定，甚至可能因为粉尘掉落、切口边缘瑕疵，进而电池性能下降，还可能引起电池过热、短路、甚至爆炸等各类危险问题。

采用激光切割工艺进行高效、精度更高的电极切割被证实是行之有效的、解决厂商上述需求的方案。与传统的机械切割相比，激光切割的无应力加工、切割形状灵活、边缘质量洁净度高、精确度好、无需模具和其他耗材，有利于降低制造成本、提高整体生产效率、大幅缩短产品出厂周期。

然而，并非所有品类的激光器都适用于锂离子电池生产的电极材料切割环节，目前关于长脉冲激光和连续激光切割电极材料的研究中，主要存在切缝边缘的分层和热影响区（HAZ）等问题。分层问题即电极边缘涂层脱落导致金属基材裸露（漏金属区），降低了电极的有效面积，容易出现电池容量下降等情况，而热影响区过大则是容易击穿熔融基材产生重铸层、卷边，同时容易影响材料表面活性，增大涂层脱落的风险，因此同样不利于电池的整体稳定和性能。此外，脉冲激光器的波长、功率、脉宽、重复频率等参数同样影响电极片的切割成型质量。

皮秒级超短脉冲激光的“冷”加工特性在微细精加工时能够产生最低限度的热作用和热影响区，且不挑材料，已经吸引了锂离子电池制造业的关注，实验证明，更窄的脉宽、更高的重频以及更高的功率的皮秒激光器可以满足锂离子电池切割电极片等高质量需求，是切割电极片和极耳的理想可靠激光器。

纳飞光电研发设计的1064nm工业级皮秒激光器，输出功率超过30W，单脉冲能量超过300uj，光束质量高（M²＜1.3），值得关注的是它的高稳定性，功率稳定性和脉冲稳定性均小于1%RMS，为高精度切割锂离子电池极片，提升电池安全性能保驾护航。

由于皮秒激光器具有超高的峰值功率密度，作用在材料上时可瞬间将材料温度提至等离子态并快速脱离，从而实现钻透、成缝乃至切断，这种加工方式具有“冷加工”的效果，可以大大减少热效应的产生，10ps左右的脉宽热影响区微乎其微，切割质量有了质的飞跃提升，恰切可对应解决传统模切技术存在的瓶颈问题，而且激光束经过扫描振镜后可以进行大范围的加工切割作业，灵活性高，借助物镜则可以将激光聚焦成直径非常小的光斑，切割的缝隙小，提升原材料的使用率。

更高的功率和更宽的重频（100Khz-2Mhz），结合burst模式，灵活定制脉冲串参数，优化切割工艺，高倍率电池推动极耳/极片切割量提升。

如今，锂离子电池是我国新能源行业极具竞争力的新型产业，属于国家支持的先进高新技术企业。激光加工技术作为高端制造的核心技术之一，已经逐步实现对传统工业制造业技术的存量市场进行替代和优化升级，在锂离子电池生产中业已成为实现高质量高速极耳切割成型主流方案，随着皮秒激光与材料相互作用机制的进一步探索探究，必将进一步拓展七应用范围，从推动锂离子电池行业不断发展的同时，带动我国从“机械加工”向“光加工”的精细化制造、智能制造的升级关键时期稳步迈进。