锂离子电池在许多现代工业中都发挥着至关重要的作用,从便携式电子产品、电动汽车、家用储能系统到工业储能系统。随着这些领域不断发展,市场对锂离子电池的需求也随之增长,从而推动其生产力的不断提高。锂电池由多层涂覆金属箔(电极)组成,其加工需要高速度、单次切割和良好的边缘质量, 而超短脉冲激光器能够完全满足这些要求。 在之前的文章中,我们展示了采用皮秒脉冲宽度激光和 TimeShift 脉冲调制技术进行的箔切割。我们还介绍使用 IceFyre® FS IR200 飞秒激光器切割阳极和阴极锂离子电池箔的优异结果。本文我们将展示采用 TimeShift 技术脉冲串加工模式与传统单脉冲相比的优势。为了更直观高效地评估性能,我们同时考察了最大切割速度和涂层“回缩”(涂层从切割边缘缩回的距离),并提供视觉比较图像. 优异的切割质量 对于脉冲串加工,PRF(脉冲重复频率)固定为 200 kHz, 使用的脉冲串子脉冲数范围为 10 到 80;而对于单脉冲加工,我们首先探索了几种不同的 PRF,以找到单一的优化切割条件。图 1 所示为两种箔材的脉冲串净切割速度与脉冲串数的关系。水平虚线表示单脉冲结果的最佳切割速度。
图 1. 阴极箔和阳极箔的净切割速度与脉冲数的关系。 从这些数据中我们可以看出,脉冲串模式的切割速度大大超过了单脉冲,单脉冲的阳极和阴极的峰值分别为 1.4 m/s 和 1.6 m/s。而 80 个脉冲时切割速度分别为 2.2 m/s 和 2.8 m/s。这表示阳极和阴极的切割速度分别提高了 57% 和 75%。 与单脉冲相比,IceFyre FS IR200 TimeShift 脉冲串的总能量更高。例如,单脉冲的最大能量约为 200 µJ,而使用 5、10 和 20 个脉冲的脉冲串可使输出脉冲串的总能量分别达到约 550、约 750 和约 900 µJ(具体取决于 PRF)。如此大的能量 “包”,显然有利于提高加工速度。 为了评估切割质量,我们还测量了两种箔材上每种切割条件下的涂层回缩(图 2),并拍摄了 SEM 图像,以定性检查切割边缘的金属涂抹情况(图 3)。切割边缘的回缩越小越好,因为这代表切割质量越高。
图 2. 阴极箔和阳极箔的涂层回缩与脉冲数的关系
图 3. 从单脉冲到 80 脉冲脉冲串的不同脉冲数下阴极和阳极电池箔切割边缘的 SEM 图像 对于这两种箔材,我们发现,与单脉冲加工相比,采用 10 脉冲脉冲串加工时的回缩最初会有所增加。不过, 当脉冲串数越高时,回缩效果越好,但阳极箔的单脉冲结果仍然是测试范围内回缩效果最低的。 从 SEM 图像中我们可以看到,阳极在任何条件下都很少出现残留现象,而在 40 脉冲条件下则显得尤为干 净。相比之下,阴极箔的质量则比较模糊。单脉冲工艺有明显的残留现象,而 10 脉冲和 20 脉冲的情况有所改善,但 40 脉冲和 80 脉冲的对比度有所降低,因此尽管似乎有少量残渣,也很难评估残留程度。 在先前电池箔切割的基础上,我们进一步证实了脉冲串加工比单脉冲更有优势,阳极和阴极切割的产量更高,阳极的质量明显更好。采用脉冲串脉冲输出,IceFyre FS IR200 的单次切割速度可超过 2 m/s,且加工质量良好,在大多数情况下均优于采用单脉冲的质量。 IceFyre FS IR200 能够以高 PRF 提供超过 200 W 的红外飞秒脉冲,因此本身就能快速切割锂离子电池箔。 同时 IceFyre FS IR200 还增配了 TimeShift 功能,可进 一步提高箔切割的生产效率,同时改善切割质量。 IceFyre® FS 紫外和红外飞秒激光器 IceFyre FS 系列是工业飞秒激光技术的巨大飞跃,不仅具有优异的性能,而且用途广泛,稳定可靠,经济实惠。IceFyre FS 飞秒激光器是高产量、高质量微加工关键材料(包括玻璃、聚合物、金属、半导体、薄膜和复合材料)的理想选择,适用于要求苛刻的消费电子产品、清洁能源、医疗器械和工业应用。 IceFyre FS 以 Spectra-Physics 的 It’s in the Box 设计为基础,将激光器和控制电子元件集成到一个易于安装的封装中。
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