导语

锂离子电池已成为从手机、笔记本电脑到电动汽车 (EV) 等众多应用的首选储能介质。不同应用场景对电池特性和成本有着特定需求：相比于便携式电子产品中使用的电池，电动汽车对电池的能量密度、充电周期时间、工作温度范围和机械耐久性等性能，都提出了更高要求。为了满足市场需求，电动汽车制造商正在全力提升电池的可靠性和性能，同时也在努力降低成本。

实现这一目标需要密切审视电池制造的各个环节，其中电极箔切割尤为关键，因为它通常代表着锂离子电池生产中的一个瓶颈环节。而且，加快箔材切割速度可以降低生产成本。

多层电池箔通常采用卷对卷工艺制造

然而，电极切割工艺的成本下降和产能提升，绝不能以牺牲质量为代价。特别是任何新工艺都不得产生碎屑或引发热损伤，因为这些缺陷可能导致电池性能衰减或随时间推移引发安全隐患。

超短脉冲 (USP) 激光技术凭借其独特的切割特性脱颖而出，完美地契合了电池制造的切割需求，即切割精度高、热影响区小且污染少。但是这种方法仍然存在一个重要挑战：加工效率低。若要将 USP 激光器应用于大规模电池制造产线中，必须要在不牺牲切割质量的前提下实现切割速度的最大化。

锂离子电池生产

锂离子电池采用分层结构，主要包含四大核心组件：阴极电池箔、阳极电池箔、隔膜材料和电解液。电池箔由金属基材（阴极通常为铝，阳极通常为铜）和涂覆在基材两侧的活性材料构成。

这些多层电池箔通常采用卷对卷工艺制造（见图 1）。首先，对裸铝或铜集流体箔材进行涂覆、干燥和压延（通过在两个硬辊之间压缩，以实现特定的厚度、密度和表面光滑度）。

图1：卷对卷锂离子电池电芯生产的工艺步骤，其中黄色突出显示的是激光加工环节。（图片来源：MKS Spectra-Physics®）

Electrode Foil：电极箔

Foil Coating：箔材涂覆

Foil Slitting：箔材分切

Foil Cutting & Notching：箔材切割&极耳切割/开槽

Tab Cleaning：极耳清洗

Separator Foil Cut：隔膜切割

Cell Stacking/ Winding：电芯叠片/卷绕

Tab Welding：极耳焊接

Packaging：封装

Electrolyte Filling：电解液注入

Sealing：密封

Aging：老化

Degassing：除气

Test & Sorting：测试与分选

Quality Control：质量控制

箔材涂覆的最终产物是连续的长片电极，并卷成“母卷”（宽度为多个电极的宽度），然后再将母卷切割成与成品电极宽度相近的“子卷”，这一工艺过程称为 “分切”。

子卷经过额外清洁步骤后，将从子卷上切割出单个电极的最终形状。这一成型过程通常包含两道独立工序：

（1）定长裁切：垂直于卷材行进方向切割，确定电极最终长度；

（2）极耳成型：通过切割形成导电连接片（用于后续电池组装与封装中的电气连接）。

切割工艺

对于分切、箔材切割和极耳切割，每道工序都有着各自不同的切割要求，可以使用不同的切割技术来完成。分切的要求通常较为宽松，可以使用机械旋转刀完成，但也有部分制造商会使用激光来分切敏感材料。

如今，许多制造商采用模具冲压的方法进行箔材切割和极耳切割，但是模具冲压也存在诸多问题，包括：灵活性差（切割形状固定）、容易产生边缘毛刺且边缘质量不一致、可能导致箔材起皱和涂层剥离。其最大的缺点是机械模具磨损快，大约经过 5000 次冲压循环后就需要更换模具；而更换模具会导致设备停机和高昂的耗材成本。因此，大多数电池制造商都在寻找替代模具冲压的方法。

纳秒脉冲光纤激光器以及其他纳秒和连续波 (CW) 激光器已经广泛用于电极箔片的裁切和极耳切割。光纤激光器特别适合切割铜阳极，因为铜的高导热性可以有效散去光纤激光切割产生的热量。

但是使用脉冲和连续波光纤激光器切割，采用的是热切割机制，切割过程会引入不必要的热量，从而导致熔化、颗粒产生和边缘不规则，进而影响电池的性能或安全性，即使切割铜阳极也不例外。

当切割铝阴极时，这一问题更为突出：因为铝的导热性较低，切割边缘周围会积聚更多热量，导致热影响区 (HAZ) 过大，这可能造成涂层损坏和涂层回缩（切割周围区域的涂层从边缘退缩，露出裸箔，见图 2）。涂层回缩会引发诸多问题：首先，它减少了电极的活性面积，这会直接降低电池的总存储容量和输出功率；其次，会增加电分流的可能性，可能导致内部短路、可靠性下降、热失控或火灾。

图 2：涂层回缩时，涂层会脱层并从切割边缘退缩，裸露出下方的金属箔。（图片来源：MKS Spectra-Physics）

Laser：激光

Coating pull-back：涂层回缩

此外，使用光纤激光切割铝时更容易产生颗粒（碎屑），并形成重铸材料和边缘珠。尽管在铜切割时也可能出现这些问题，但出现的频率却低得多。污染物可能不会立即显现，但会影响叠片、极耳焊接或电解液注入等后续工序。

大多数脉冲激光在极耳切割过程中还存在一个更微妙的问题：由于极耳切割涉及切割带有多个拐角的复杂形状，而由于控制激光束位置的扫描振镜存在惯性，激光束在拐角处会显著减速；此时如果激光器维持固定的重复频率，则将导致脉冲重叠区域急剧扩大。为了避免这一问题，需要动态调整脉冲输出的重复频率，这一功能通常称为“按需脉冲”。

USP 激光的优势

使用传统的机械或热方法解决这些问题的任何尝试，都不可避免地需要在速度与质量、或是工艺成本与电池长期可靠性之间做出权衡。但是USP 激光（皮秒或飞秒脉冲宽度）可以避免这些权衡，因为其采用的是完全不同的材料去除机制。

USP 激光与材料的相互作用有两个显著特点：首先，超短脉冲产生的极高峰值功率会在许多材料内激发非线性吸收，这可以直接破坏分子键并通过等离子体形成去除材料，从而实现高效烧蚀。

其次，USP 激光加工的独特之处还在于极短的脉冲持续时间。其能量传递时间短于热化电子转化为体材料热量（电子-声子耦合）的时间，材料可以在几乎没有残余热量产生的情况下被烧蚀去除，这可以减少或消除大多数材料加工中的热影响区形成。

USP 激光可以为各种电池箔制造工艺提供近乎理想的切割效果，实现光滑、无毛刺的切割边缘，同时最大限度地减少涂层回缩。USP 激光切割还能减少碎屑和重铸材料的产生，降低污染风险并提高后序工艺的良率。

实用的 USP 激光切割

既然 USP 激光在电池箔切割应用中具有诸多优势，为什么它尚未被业界普遍采用呢？原因很简单，USP 激光器通常比脉冲光纤激光器成本更高，并且切割速度更慢。这两者中产能问题更为关键，因为对于电池制造商而言，如果资本支出能够显著提高加工的良率、质量和产品可靠性，那么他们宁愿接受更高的资本支出。

因此最终的问题变为：是否有办法加快 USP 激光切割电池箔的速度，以达到市场所需的水平（通常为 1~2 m/s）？MKS Spectra-Physics® 应用开发团队通过测试回答了这一问题，并特别探索了脉冲时间定制（即脉冲串模式）是否能在不牺牲质量的前提下提高速度。

当 USP 激光以脉冲串模式运行时，单个高能脉冲被细分为一组间隔紧密的低能子脉冲。虽然这些子脉冲群（即脉冲串）之间的时间间隔等于激光发射的整体重复频率（数百 kHz 至 MHz 范围），但是脉冲串内子脉冲的重复频率可达数十 MHz。脉冲串模式下子脉冲的总能量（和激光平均功率），也与单脉冲模式相同。例如，如果激光以 1 MHz 的重复频率产生 200 µJ 的单脉冲（平均功率 200 W），那么由 8 个子脉冲组成的脉冲串（脉冲串的整体重复频率仍为 1 MHz），每个子脉冲的能量降为 25 µJ。使用超短脉冲烧蚀时，相对较低的能量密度（单位面积能量）通常效果更好并且更节能，而脉冲串加工在应用激光全部平均功率的同时实现了这一点。

测试使用的激光器是 MKS Spectra-Physics® 的 IceFyre® FS IR200 飞秒激光器。该激光器可提供超过 200 W 的平均功率，重复频率范围从单发脉冲到 50 MHz，输出波长为 1030 nm。该激光器实现了一种先进的 TimeShift 脉冲串模式控制，可以精确控制脉冲串内每个子脉冲的时间间隔和相对能量，还支持按需脉冲操作以满足最佳质量的高速极耳切割要求。

测试中使用该激光器分别切割了阴极材料和阳极材料。阴极材料为 17  µm厚的铝箔，两侧涂有 NMC（锂镍锰钴氧化物）涂层（总厚度约 100 µm）；阳极材料为约 10 µm 厚的铜箔，两侧涂有石墨（总厚度约 98 µm）。

在脉冲串加工测试中，激光脉冲重复频率 (PRF） 固定在 200 kHz，分别测试了脉冲串中包含 10~80 个子脉冲的切割效果。另外，也测试了单脉冲在不同 PRF 下的切割效果，以确定最佳切割条件并设定比较基准。评估切割效果的指标包括最大切割速度和涂层回缩程度。

图3中给出了切割速度的测试结果，图中清楚地表明，除了脉冲串中含有极少数量的子脉冲情况，脉冲串模式的切割速度均超过了单脉冲的切割速度。使用含有80个子脉冲的脉冲串时，切割阳极和阴极的峰值速度分别达到了 2.2 m/s 和 2.8 m/s，比单脉冲的切割速度分别提高了 57% 和 75%。这表明 USP 激光能够以商业上可行的速度切割阴、阳两种电极。

图3：阴、阳两种电极箔材在不同脉冲串模式下的净切割速度与子脉冲数的关系；单脉冲的最佳切割速度以水平虚线表示。

（图片来源：MKS Spectra-Physics）

通过测量两种箔材在每组切割参数下的涂层回缩情况，来评估切割质量。图 4 中对测试数据进行了量化。

图4：阴极和阳极箔材的涂层回缩与脉冲串中子脉冲数的关系。

（图片来源：MKS Spectra-Physics）

对于这两种箔材，与单脉冲切割相比（最左侧数据点），用含有 10 个子脉冲的脉冲串切割时，回缩量开始增加；但随着脉冲串中子脉冲数量的增加，回缩量开始减少。对于阳极箔材，在所有测试条件中，单脉冲切割的回缩量最小；而用含有 20 个子脉冲的脉冲串切割时，切割速度比单脉冲快得多，回缩量比单脉冲略微增大。

获取切割边缘的光学显微镜和扫描电镜 (SEM) 图像，以进一步检查切割质量并且可视化金属涂抹、碎屑产生等问题。图 5 和图 6 分别显示出了阳极和阴极箔材的切割质量。

图 5：阳极电池箔在用单脉冲到含有80个子脉冲的脉冲串切割的情况下，切割边缘的光学显微镜图像和 SEM 图像。

（图片来源：MKS Spectra-Physics）

图 6：阴极电池箔在用单脉冲到含有80个子脉冲的脉冲串切割的情况下，切割边缘的光学显微镜图像和 SEM 图像。

（图片来源：MKS Spectra-Physics）

对于阳极切割质量，光学显微镜图像显示，用含有 40 个和 80 个子脉冲的脉冲串切割，铜箔表面更清洁，碎屑和/或氧化更少。SEM 图像显示，在任何测试条件下几乎没有金属涂抹，使用含 40 个子脉冲的脉冲串的切割结果看起来特别干净，这也与最大切割速度的稳定阶段相吻合。

对于阴极箔，增加脉冲串子脉冲数量的影响更难评估。单脉冲工艺存在明显的涂抹现象，而含有 10 个和 20 个子脉冲的脉冲串切割的涂抹情况有显著的持续改善。含 40 个和 80 个子脉冲的脉冲串切割的涂抹量似乎在继续减少。这些图像的对比度较低，难以准确判断涂抹程度。总体趋势是，随着脉冲串中子脉冲数量的增加，箔材边缘质量保持稳定或略有提升，涂层回缩现象显著减少。

人们普遍认为，在各种切割和烧蚀应用中，USP 激光与其他类型的激光及非激光替代技术相比，能够提供更优异的加工质量。但 USP 激光加工也被认为速度慢且成本高，因此仅适用于高价值应用中要求最严苛的工艺。

我们的研究结果表明，当 USP 激光器采用脉冲串模式运行时（尤其是通过 TimeShift 技术实现的高度灵活模式），涂层电池箔的量产切割将变得切实可行且具有经济性。该测试表明，单次切割速度可超过 2 m/s，并且 USP 激光器在涂层回缩和碎屑生成等对电池行业非常关键的指标方面，均能保证高质量切割效果。

文章信息

本文刊载于LASER FOCUS WORLD®

作者：Jim Bovatsek，MKS Spectra-Physics

转自：MKS 光电解决方案

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