鋰電池激光制片除塵系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)驗(yàn)研究

姚金健，單 偉，李孝雪，朱志陽

（合肥國軒高科動(dòng)力能源有限公司，安徽合肥 230000）

0 引言

鋰電池激光制片工藝是鋰電池生產(chǎn)中的核心環(huán)節(jié)。激光制片就是采用激光切割技術(shù)[1-2]，對(duì)銅鋁箔為基層的極片進(jìn)行切割，此過程會(huì)產(chǎn)生大量的飛濺粉塵，產(chǎn)生的粉塵若處理不清，會(huì)隨極片卷入電芯內(nèi)部，可能刺穿電芯絕緣隔膜，形成短路，甚至導(dǎo)致電池?zé)崾Э?。因此，在激光切割過程中需要對(duì)飛濺的粉塵進(jìn)行阻斷除塵清理。

近年來，隨著市場(chǎng)對(duì)鋰電池各項(xiàng)性能要求的提高，尤其是對(duì)電芯制作過程中粉塵控制在10 萬級(jí)以下潔凈度時(shí)，行業(yè)內(nèi)通常采用的負(fù)壓吸塵系統(tǒng)除塵越來越難以滿足現(xiàn)實(shí)需求。因此，利用風(fēng)刀阻斷加負(fù)壓吸塵的潔凈技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[3]。目前，此技術(shù)用于鋰電池激光切割極片除塵的相關(guān)研究尚處于起步階段，基于此，本文分析激光切粉塵來源，參考風(fēng)刀除塵優(yōu)點(diǎn)并結(jié)合傳統(tǒng)的負(fù)壓除塵技術(shù)[4-5]，開發(fā)出新的激光焊風(fēng)幕阻斷負(fù)吸除塵系統(tǒng)[6]。利用ANSYS Fluent 軟件對(duì)除塵系統(tǒng)腔體結(jié)構(gòu)[7]流體進(jìn)行仿真模擬，研究新的系統(tǒng)除塵方案，并實(shí)際制作試樣驗(yàn)證除塵效果，對(duì)激光焊風(fēng)幕阻斷負(fù)吸除塵系統(tǒng)進(jìn)行初步評(píng)價(jià)，進(jìn)一步豐富鋰電池激光焊除塵技術(shù)。

1 粉塵來源分析與驗(yàn)證

1.1 粉塵原因分析

初步推測(cè)，鋰電池激光切[8]工序鋰電池極片粉塵來源主要有3 種來源[9]：①激光切后的焊渣飛濺到鋰電池極片表面，利用粉塵粘附性粘附到鋰電池極片表面的普通粉塵；②激光切的部分焊渣帶電荷，粘附到鋰電池極片表面，在靜電力作用下形成的帶電粉塵；③激光焊切時(shí)未凝固的熔珠，飛濺到鋰電池極片上遇冷凝固，形成凝固熔珠（表1）。

表1 粉塵來源

1.2 粉塵來源驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述分析，采用2 組實(shí)驗(yàn)分別對(duì)粉塵來源進(jìn)行驗(yàn)證。選取普通激光切后的鋰電池極片，裁切成大小相等的極片，均分后分為3 組。

實(shí)驗(yàn)1：對(duì)極片表面進(jìn)行風(fēng)刀除塵，風(fēng)速15 m/s，然后利用金相顯微（200×）分析極片表面除塵顆粒數(shù)量，前后對(duì)比（圖1）。

圖1 金相顯微（實(shí)驗(yàn)1）

實(shí)驗(yàn)2：先對(duì)極片表面進(jìn)行風(fēng)刀除塵，風(fēng)速15 m/s，再吹離子風(fēng)，除靜電后，再次進(jìn)行風(fēng)刀除塵。金相顯微（200×）分析除靜電后，風(fēng)刀除塵前后的粉塵顆粒數(shù)量（圖2）。

圖2 金相顯微（實(shí)驗(yàn)2）

實(shí)驗(yàn)3：對(duì)實(shí)驗(yàn)2 的鋰電池極片進(jìn)行酒精擦拭除塵，并進(jìn)行對(duì)比。

通過3 組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

實(shí)驗(yàn)1：普通的風(fēng)刀除塵前極片上粉塵顆粒為13 個(gè)；風(fēng)刀除塵后，極片上剩余粉塵顆粒減少到7 個(gè)，說明激光切后極片上確實(shí)存在普通的粘附粉塵。

實(shí)驗(yàn)2：在除靜電后，對(duì)比風(fēng)刀除塵后的粉塵顆粒物數(shù)量發(fā)現(xiàn)，靜電除塵前的極片上粉塵顆粒是8 個(gè)，在靜電除塵后，降至3 個(gè)左右，說明存在帶電粉塵，由于靜電的作用，粉塵顆粒粘附性增大，普通風(fēng)刀無法除塵。

實(shí)驗(yàn)3：經(jīng)過酒精擦拭除塵后，仍有粉塵顆粒粘附其上，說明激光切后的極片上存在凝固的熔珠。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光切后的粉塵主要由普通粉塵、帶電粉塵及熔珠組成。

2 除塵方案及分析

2.1 除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

激光焊除塵采用盒式結(jié)構(gòu)，將整個(gè)鋰電池極片激光切工位包絡(luò)在內(nèi)，整體結(jié)構(gòu)主要由側(cè)吸塵罩、下吸塵罩、上、下風(fēng)腔以及上、下正壓風(fēng)刀等結(jié)構(gòu)組成（圖3）。裝置中，上、下風(fēng)腔正壓吹風(fēng)，從輔料側(cè)吹向極耳側(cè)，隔絕粉塵外溢，形成空氣隔絕效果；正壓上、下風(fēng)刀分別在極片上、下表面，從輔料側(cè)往極耳側(cè)進(jìn)行吹風(fēng)，將極片表面的粉塵、除塵盒腔體里的粉塵以及激光切割產(chǎn)生的箔材碎屑往極耳側(cè)吹；在極耳側(cè)激光切割處有負(fù)壓側(cè)吸風(fēng)以及負(fù)壓下吸風(fēng)除塵裝置，可以將激光切割產(chǎn)生的箔材碎屑吸走，并且將正壓吹過來的粉塵一并吸走，下吸風(fēng)可以將落下來的大顆粒粉塵吸走。

圖3 除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

2.2 除塵計(jì)算分析

利用ICEM CFD 對(duì)流體域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并導(dǎo)入FLUENT求解器計(jì)算?？紤]到流場(chǎng)流動(dòng)復(fù)雜，可能存在旋流、分離流、二次流、射流撞擊等現(xiàn)象，本文采用兩個(gè)方程的Realizable k-e 湍流模型。運(yùn)用SIMPLEC 分離算法可加快迭代收斂速度。最后利用CFD-Post 提取計(jì)算結(jié)果云圖和流線圖，直觀、清晰地呈現(xiàn)分析結(jié)果。

2.2.1 建立有限元模型

考慮到實(shí)際工況，為確保仿真模擬時(shí)氣流充分發(fā)展，應(yīng)在激光切割腔體四周與大氣連通處建立拓展區(qū)域。對(duì)研究的流體域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分（圖4）。

圖4 有限元模型

為減小計(jì)算時(shí)間成本，采用全四面體網(wǎng)格劃分。為提高求解精度和收斂性，對(duì)網(wǎng)格光滑處理。網(wǎng)格類型為全四面體，包括11511922 個(gè)單元、2044413 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2.2 邊界條件及相關(guān)物理參數(shù)

設(shè)定前切割組件內(nèi)部流場(chǎng)分析的相關(guān)物理參數(shù)與邊界條件：流體連通大氣拓展區(qū)定義其為Pressure-inlet 類型，入口壓力為0；上、下風(fēng)刀口邊界定義為Velocity-inlet 類型，出口風(fēng)速為15 m/s；上、下風(fēng)腔邊界定義為Velocity-inlet 類型，風(fēng)速為20 m/s；正面、側(cè)面吸塵罩管道口定義其為Velocity-inlet 類型，出口風(fēng)速分別為10 m/s、23 m/s；流體域與管道接觸邊界定義其為wall類型壁面邊界條件。環(huán)境溫度為22 ℃。

2.2.3 仿真結(jié)果與分析

在速度流線圖中可以看到流場(chǎng)分布趨勢(shì)，管道內(nèi)最高速度約32 m/s，在彎管曲率較大的區(qū)域。整個(gè)腔內(nèi)流場(chǎng)較為均勻（圖5）。

圖5 正面速度流線圖

從速度流線圖中可以看到，側(cè)吸塵罩與切割腔體連接處產(chǎn)生局部渦流，形成回流區(qū)域（圖6）。

圖6 側(cè)面速度流線圖

在流線圖中可以清晰看到壓強(qiáng)在流場(chǎng)中分布趨勢(shì)（圖7）。腔內(nèi)整體呈現(xiàn)負(fù)壓，上、下腔區(qū)域負(fù)壓（黃色區(qū)域）在-15 Pa 左右。對(duì)比圖6 可知，上、下腔區(qū)域壓強(qiáng)基本相同。

圖7 壓強(qiáng)流線圖

在速度矢量圖中，可以看到流場(chǎng)中氣流流動(dòng)方向（圖8）。為了進(jìn)一步觀察流動(dòng)特征，取一中間截面的速度云圖和矢量圖進(jìn)行分析（圖9～圖10）。

圖8 速度矢量圖

圖9 中間截面內(nèi)速度云圖

圖10 中間截面內(nèi)速度矢量圖

綜上仿真結(jié)果分析：按照上述邊界條件分析，管道內(nèi)最高速度約為32 m/s，在彎管曲率較大的區(qū)域，可以有效地帶走管道彎曲處激光切粉塵，防止管道堵塞。切割口區(qū)域流場(chǎng)較為均勻，速度約在6～7 m/s 范圍，能保證切割平穩(wěn)性，防止極片抖動(dòng)，同時(shí)能快速降低激光切后飛濺的焊渣在腔體內(nèi)問題，在腔體內(nèi)實(shí)現(xiàn)冷卻。腔內(nèi)整體呈現(xiàn)負(fù)壓，上、下腔區(qū)域負(fù)壓（黃色區(qū)域）在-15 Pa 左右；最大負(fù)壓為-863 Pa，在彎管曲率較大的區(qū)域，形成有效的吸附作用，將激光焊粉塵全部吸入除塵管道內(nèi)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與討論

從圖11 、圖12 可以看出，在除塵系統(tǒng)未啟動(dòng)前，激光切極片上的灰塵顆粒數(shù)在8～13 個(gè)，均值為10.5 個(gè)；啟動(dòng)除塵系統(tǒng)后，激光切極片上的灰塵顆粒顯著下降，灰塵顆粒數(shù)在0～3個(gè)，均值1.3 個(gè)，證明除塵系統(tǒng)能有效去除極片上的大部分灰塵顆粒，防止激光切焊渣和熔珠落入極片表面，除塵效果比較明顯。

圖11 除塵前后金相分析圖（200×）

圖12 除塵前后灰塵顆粒數(shù)對(duì)比

4 結(jié)束語

通過金相顯微分析對(duì)比，確認(rèn)激光切后的粉塵主要由普通粉塵、帶點(diǎn)粉塵以及熔珠顆粒組成。對(duì)新的激光焊風(fēng)幕阻斷負(fù)吸除塵系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)部氣流流體仿真分析，仿真結(jié)果表明：在彎管曲率較大的區(qū)域，除塵系統(tǒng)可以有效帶走管道彎曲處激光切粉塵，防止管道堵塞。制作除塵系統(tǒng)樣機(jī)，模擬實(shí)際工況環(huán)境進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明新的除塵系統(tǒng)能有效去除極片上的大部分灰塵顆粒，防止激光切焊渣和熔珠落入極片表面。綜上所述，新的激光焊風(fēng)幕阻斷負(fù)吸除塵系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計(jì)要求。