一文解讀：鋰電池加工為何應(yīng)選擇激光技術(shù)？

導(dǎo)讀：

前段時(shí)間，在本號(hào)援引并編輯的“實(shí)力出圈！從華為“不造車”背后，解讀激光雷達(dá)新實(shí)力”一文中，鐳Sir為大家深度介紹了在新能源汽車行業(yè)，激光雷達(dá)技術(shù)所能嶄露頭角的領(lǐng)域。與此同時(shí)，對(duì)于新能源汽車中的核心配件——鋰電池的制造，激光技術(shù)再次被行業(yè)一致認(rèn)同為優(yōu)化的制造方式，激光技術(shù)在鋰電池的加工中究竟有何優(yōu)勢(shì)？本文將為您淺作分析。

LASER新能源車加速發(fā)展

鋰電池成為核心關(guān)鍵

新能源汽車的概念反復(fù)席卷資本市場(chǎng)，吸引了消費(fèi)者的廣泛關(guān)注，不停吸納各行業(yè)巨頭的目光。隨著“碳達(dá)峰、碳中和”等概念的推出，新能源車已不僅是一種新概念交通工具，更是實(shí)現(xiàn)“綠水青山”的重要方式，在未來，新能源汽車還將有巨大的市場(chǎng)潛力有待挖掘。

據(jù)國(guó)務(wù)院辦公廳2020年11月2日發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021－2035年）》預(yù)計(jì)，到2025年國(guó)內(nèi)新能源汽車新車銷售量將達(dá)到汽車新車銷售總量的20％左右，而當(dāng)前這一數(shù)據(jù)約為4％～5％之間，側(cè)面反映出未來市場(chǎng)至少還有三倍的成長(zhǎng)空間。

新能源車包括混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）以及燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV）等技術(shù)路線。不過當(dāng)下，新能源車一般僅指純電動(dòng)車路線，即我們熟悉的特斯拉以及一眾造車新勢(shì)力。而純電動(dòng)車的核心部件則是：鋰 電 池 。

*圖片來源：站酷海洛

作為一種新型的清潔能源，鋰電池不僅可以為新能源汽車提供動(dòng)力，還可以為電動(dòng)列車、電動(dòng)自行車、高爾夫球車等各類產(chǎn)品提供動(dòng)力。鋰電池的生產(chǎn)制造是由一個(gè)個(gè)工藝步驟嚴(yán)密聯(lián)絡(luò)起來的，其生產(chǎn)過程大致包括極片制造、電芯制作以及電池組裝三部分。因此，鋰電池質(zhì)量直接決定新能源車輛的性能，從而對(duì)其制造技術(shù)和裝備提出嚴(yán)格的要求。以激光焊接和切割為代表的激光技術(shù)作為先進(jìn)的“光”制造工具，展現(xiàn)出高效精密、靈活、可靠穩(wěn)定、焊材損耗小、自動(dòng)化和安全程度高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于動(dòng)力鋰電池的制程中。

LASER激光加工技術(shù)

在新能源鋰電領(lǐng)域中的應(yīng)用

1、激光切割

鋰電池加工對(duì)精確性、可控性和加工機(jī)器的質(zhì)量要求比較高，在激光技術(shù)出現(xiàn)前，鋰電池產(chǎn)業(yè)通常使用傳統(tǒng)機(jī)械進(jìn)行加工和切割，但傳統(tǒng)模切刀設(shè)備在使用過程中，會(huì)不可避免地出現(xiàn)磨損，粉塵掉落并產(chǎn)生毛刺，可能進(jìn)而引起電池過熱、短路、甚至爆炸等各類危險(xiǎn)問題。

為了避免危險(xiǎn)，使用激光進(jìn)行切割更適合。與傳統(tǒng)的機(jī)械切割相比，激光切割擁有無(wú)工具磨損、切割形狀靈活、邊緣質(zhì)量控制、精確性更高和運(yùn)營(yíng)成本較低等優(yōu)勢(shì)，有利于降低制造成本、提高生產(chǎn)效率、大幅縮短新產(chǎn)品模切周期。鋰電池作為新能源汽車的核心零部件，直接決定整車性能。隨著新能源汽車市場(chǎng)的逐步爆發(fā)，激光切割未來將有很大的市場(chǎng)潛力。

鋰電池的生產(chǎn)步驟是典型的“roll-to-roll”過程，需經(jīng)歷從薄膜到單個(gè)電池以及單個(gè)電池組裝成電池系統(tǒng)的加工過程。典型的鋰電池有三層薄膜——陽(yáng)極膜、隔離膜和陰極膜，如下圖所示。

*圖片來源：站酷海洛

電極鍍層厚度通常為100 μm，而隔離膜為50 μm。陽(yáng)極膜是鍍石墨的銅膜，陰極膜是鍍鋰金屬氧化物的鋁膜，隔離膜則由聚丙烯和聚乙烯構(gòu)成。

鋰電池生產(chǎn)過程：

由于對(duì)精確性、可控性和加工機(jī)器的質(zhì)量要求較高，金屬箔分切（foil slitting），金屬箔切割（foil cutting）和隔離膜切割（separator foil cutting）等需要運(yùn)用到切割工藝的環(huán)節(jié)更適合使用激光進(jìn)行加工。

金屬箔分切（foil slitting）
金屬箔分切環(huán)節(jié)是指根據(jù)電池的設(shè)計(jì)，將一卷金屬箔沿長(zhǎng)邊切成細(xì)長(zhǎng)條。適用于該環(huán)節(jié)的是紅外脈沖激光，可以高速高質(zhì)量地分切電極鍍層。如果對(duì)分切寬度和質(zhì)量有更精密的要求，也可以考慮脈沖綠光和紫外光。

金屬箔切割（foil cutting）
金屬箔切割環(huán)節(jié)是指參照電池的設(shè)計(jì)，將細(xì)長(zhǎng)條狀的陽(yáng)極膜和陰極膜切割成需要的形狀。根據(jù)電池設(shè)計(jì)不同以及金屬箔卷是否完整鍍膜，可以選擇或調(diào)整光束使之切割鍍層或僅切割金屬箔。該環(huán)節(jié)適用的激光器與鋁箔分切環(huán)節(jié)相同。

隔離膜切割（separator foil cutting）

與鋁箔切割類似，覆蓋膜也要參照電池設(shè)計(jì)切割成需要的形狀。因?yàn)楦綦x膜由有機(jī)化合物構(gòu)成，脈沖紫外激光是最合適的選擇。

2、激光焊接

一個(gè)鋰電池的生產(chǎn)有十幾個(gè)步驟，而激光焊接機(jī)的作用是為客戶提供整套鋰電池生產(chǎn)裝備，確保電池在運(yùn)行過程中的續(xù)航里程和安全性。相比傳統(tǒng)的氬弧焊、電阻焊等方式，激光焊接具有顯著優(yōu)勢(shì)：一是熱影響區(qū)小，二是非接觸加工，三是加工效率高。從激光焊接來看，鋰電池主要的焊接材料包括鋁合金和銅合金。電池外殼形狀主要分為方形和圓柱。目前，方形電池在國(guó)內(nèi)的普及率比較高。焊接方式主要包括拼接焊和疊焊。在新能源鋰電領(lǐng)域，激光焊接技術(shù)已經(jīng)大規(guī)模用于極耳、電芯殼體、密封釘、軟連接、防爆閥、電池模組等焊接。

*圖片來源：站酷海洛

激光焊接能量集中，焊接效率高、加工精度高，焊縫深寬比大。激光束易于聚焦、對(duì)準(zhǔn)及受光學(xué)儀器所導(dǎo)引，可放置在離工件適當(dāng)之距離，在工件周圍的夾具或障礙間再導(dǎo)引。工作過程中激光束的熱輸入量小，熱影響區(qū)小，工件殘余應(yīng)力和變形小，可達(dá)到精確焊接。由于動(dòng)力電池的電芯遵循著“輕便”的原則，所以其材料一般為鋁合金且要薄，所以一般殼、蓋、底基本都要求達(dá)到1.0 mm 以下。主流廠家目前基本材料厚度均在0.8 mm 左右，為將這些薄片焊接在一起，使用激光進(jìn)行焊接是非常有必要的。

3、激光清洗
鋰電池的生產(chǎn)制造包括極片制造、電芯制作以及電池組裝三部分。在3個(gè)制程中增加激光清洗可以極大提高電池制造工藝水平。

極片涂覆前激光清洗鋰電池的正負(fù)極片是在金屬薄帶上涂覆鋰電池正負(fù)極材料而成，金屬薄帶在涂覆電極材料時(shí)，需要對(duì)金屬薄帶進(jìn)行清洗，金屬薄帶一般為鋁薄或銅薄，原來的濕式乙醇清洗，容易對(duì)鋰電池其他部件造成損傷。激光干式清洗機(jī)能夠有效解決以上問題。

電池焊接前激光清洗采用脈沖激光直接輻射去污，使其表面溫度升高而發(fā)生熱膨脹，熱膨脹使污染物或者基底振動(dòng)，從而使污染物克服表面吸附力脫離基底表面從而達(dá)到去除物體表面污漬的目的。這種方式可以有效地去除電芯極柱端面的污物、粉塵等，為電池焊接提前做準(zhǔn)備，以減少焊接的不良品。

*圖片來源：站酷海洛

電池組裝過程中激光清洗為了防止鋰電池發(fā)生安全事故，一般需要對(duì)鋰電池電芯進(jìn)行外貼膠處理，以起到絕緣的作用，防止短路的發(fā)生以及保護(hù)線路、防止刮傷。對(duì)絕緣板、端板進(jìn)行激光清洗，清潔電芯表面臟污，粗化電芯表面，提高貼膠或涂膠的附著力，且清洗后不會(huì)產(chǎn)生有害污染物，屬于環(huán)保的綠色清洗方法，這在全球高度關(guān)注環(huán)保的情況下越發(fā)顯出它的重要性。

標(biāo)簽清洗（tab cleaning）

特定情況下，需要移除石墨和鋰金屬氧化物以顯露出裸銅或鋁箔標(biāo)簽。該步驟的關(guān)鍵在于移除鍍膜材料的同時(shí)不損害其下方的金屬箔。適合該環(huán)節(jié)的技術(shù)為脈沖紅外激光。

4、激光打標(biāo)
激光打標(biāo)速度快、生產(chǎn)效率高、呈現(xiàn)效果好，因此也被逐漸應(yīng)用于鋰電池的生產(chǎn)及加工中，且設(shè)備使用壽命長(zhǎng)、操作簡(jiǎn)便、沒有耗材，能夠有效節(jié)省成本與人工費(fèi)。在鋰電池的加工過程中，可以使用激光在其表面打上編碼、字符、生產(chǎn)日期、防偽碼等信息，不僅不會(huì)傷害到鋰電池，更能提升電池整體的美觀度。激光打標(biāo)的特色是非接觸性，能夠在任何規(guī)則或者不規(guī)則物體外表進(jìn)行打印并標(biāo)記，工件在被打標(biāo)之后，不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和形變，既保證了工件的原有精度，同時(shí)不會(huì)對(duì)其表層造成腐蝕、磨損、毒害及污染，大大提升了加工效率。

*圖片來源：站酷海洛