短脉冲和超短脉冲在锂电池行业中的应用分析

消费类电池，它的结构和动力电池的结构是差不多的，有很多方面都会用到激光。比如说极片，现在成熟的有做切割、有做表格，打孔和涂层去除是用得比较少。隔膜的切割现在有一些厂商用，但是打孔没有上批量。标记现在基本上都在用，激光也不是特别多，切割还是采用机械的刀模的方式。极耳的焊接是一直在用，但是标记用得比较少。Pack的激光焊接是比较成熟的，但是也有用超声波做的。

极片的切割，用的是100瓦纳秒，200瓦纳秒的也有做，我们做了数据的对比，显示目前比较理想的状态是200瓦的皮秒，现在皮秒的价格和光度稳定性还有一些问题，目前还没有进行量产阶段，但这是未来的方向，由于对电池的安全性和电池容量的苛求，一定会走到皮秒的地步。

我们针对叠片工艺做了测试，未来我相信叠片工艺是为主流，特别是以后对于电池容量和电池的安全性要求越来越高。可以看到这是铜箔区域，有200瓦的纳秒，实验室的情况下差不多300微妙。200瓦的纳秒是30微米；200瓦纳秒毛刺是4微妙；50瓦绿光纳秒是25微妙；30挖皮秒是10微米。200瓦批秒的时候，基本上看不到，放大是在10秒左右。毛刺是在3微米，不会有任何的熔出和飞溅。

正极区域，2000瓦纳秒的时候是20微米，毛刺是5微米。30瓦皮苗是20微米，毛刺是7微米。以后有一个方向是高功率绿光，绿光是有高反材料的切割优势，目前能拿到的绿光的皮，功率是非常低，实验室的情况下做得不是很好，就没有给大家展示出来。这是陶瓷区域，目前毛刺拐角的地方是比较难处理，因为很容易有大的毛刺，纳秒实验室做的效果挺好的，但是毛刺也非常严重，差不多10微米。用到皮秒，热影响区是在25微米的样子，毛刺也是小于5微米。

这是正极带涂布层，在用纳秒切割的时候是掉粉层严重，对比看一下纳秒的区域和皮秒区域热影响区和毛刺，基本上不会有粉层，并且抽层和清理都会非常的容易。效果比较好的还有绿光，绿光的皮秒是用小功率做了测试，通过很多次的来回扫描效果是非常好，但是效率还是太低了。

负极的热影响区是比较大一些，用到200瓦的皮秒做测试，它的毛刺也是基本上不会太大，中间的铜箔露出来是非常整齐，不会像纳秒切的时候铜箔会上下掉粉，漏孔比较严重，皮秒是基本上不会有的。

再讲极耳的焊接，这个应用目前接触的都是超声波，为什么做这个？因为以后会用到叠片公益，就有多层极耳的焊接。现在重点使用的是紫外纳秒、绿光纳秒和红外的毫秒做的对比实验。从这个实验结果看出来，3瓦的紫外纳秒测试结果是非常好的，并且结果非常的稳定。但是紫外纳秒和绿光纳秒的问题是有使用寿命的问题，并且会有功率的衰减问题，这是目前还没有进行大批量工业化的瓶颈。150瓦的红外毫秒功率的稳定性、可集成化非常高，但是目前都没有办法在现有的条件下进行量产。

这是3瓦紫外和35瓦的绿光，考量了三个方面：1.突起。每一层叠了之后，中间会加隔膜，会有突起要小；2.拉力；3.残留。现在还是处于实验室的阶段。可以看到3瓦紫外焊接余高是非常小的，基本上小于10微妙；35瓦的绿光有的会达到20微米左右，综合考虑紫外的效果是非常非常完美的，但是它还有一个瓶颈是在制具方面，一定要能保证两层贴合得非常好，不过我们现在也有做的制具，做批量的时候效果都是比较好的。

这是负极，最终测试的结果是3瓦紫外好于35瓦绿光，分布功率比较好，相当于是一种冷焊接。红外由于能量大，就导致了制具压缩得不是很好，就容易造成伤层的疮口。

这个是涂布层的去除，对能量密度要求高的时候会用到这个工艺，目前也做得不是特别多。涂布层的去除目前选用是纳秒的激光器，在边缘是小雨150微米到200微米，针孔小于5个，残留是小于80微米，正极是50微米、针孔小雨5个，残留小雨100微米。目前是负极有一些量产的应用，正极目前还没有。

这是我们正极和负极的去除效果图，这是宏观的图，热影响区可以看到是在标准以内的，针孔和残留在正极片上有石墨的点，我们判断是压实的时候，因为铝是比较软的，还有铝的正极材料压实的时候是非常紧，导致上面会有轻微的残留，这对于后续是不是有不利的影响，现在做的验证还没有到这一步。负极方面可以看到它基本上不会有大颗粒的残留，针孔基本上没有，走到后面是没有什么影响，包括充放电测试都没有什么问题。

极片的打孔选的还是纳秒的激光器，正极是要求孔芯是50微米，热影响区是小雨25微米效率是1万个孔/秒；负极是孔径55，热影响区是小于40微米，效率是8000个孔。之前有客户提出来，用这种打孔的极片来替代现有的极片，能量密度会有一点点提高。目前的难点是热的变形比较大，我们判断是可以用高功率的极秒有新应用，但是目前还没有去解决。

激光的标记大家用得都比较多，可能觉得这个东西没有什么难点，讲一下现在遇到比较难的地方。所有的电池的零部件，包括极片、隔膜、标签纸都要有追溯，极片非常薄，只有8微米左右。如果用普通的纳秒激光器做标记的时候，就看到变形量非常大。现在采用的是50瓦的皮秒，上下的波动是到1-2微米，并且清晰度是非常好，线宽非常的一致，对信息的追溯是非常有利的。目前做这种极片的标记好像还没有，也是客户提出来的，但是还没有谁去上这种设备，觉得20-30瓦的皮秒是应用的方向，并且皮秒的应用方向是有光纤的激光器，可集成度非常好，未来是一个方向。

短脉冲激光器和超短脉冲激光器定义了一下，短脉冲是大于10的负九次方，超短脉冲是小于10的负九次方。峰值功率是短脉冲低一点，是10的五次方分解点。热加工输入量，超短脉冲习惯叫冷加工，就因为它没有冶金反应，包括切割、焊接等的过程都是可用的，是能细微的调节参数，以达到比较好的效果。短脉冲激光器是很容易产生等离子体，等离子体的产生是一个不可控的因素，超短脉冲激光器基本上不会有等离子体的产生。热影响区还是一样的，超短脉冲是不会有太大的热影响区。在短脉冲的时候不会有大量的飞溅，如果电池是电芯的时候是不会有这种情况，超短脉冲是避免这种现象产生。现在的问题是激光器的平均功率，短脉冲激光器可以做到非常高，超短脉冲激光器市面上是400瓦左右，这是稳定输出的。激光器的制造难度，这个和成本相关，操作难度和制造难是非常高，并且现在以进口为主，成本压力非常大。

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