激光振鏡系統(tǒng)參數(shù)在鋰電池極耳切割中的應(yīng)用研究

摘? 要：隨著科技的不斷發(fā)展，新能源逐漸映入人們的眼簾，中國在多個領(lǐng)域都取得了巨大的成就。其中，鋰電池作為電池產(chǎn)業(yè)的一項重要技術(shù)產(chǎn)物，以其功率高、使用壽命長、潛在成本低、固有安全性好、環(huán)境兼容性好等特點而廣受業(yè)界人士關(guān)注。針對傳統(tǒng)鋰電極耳切割存在毛刺、掉粉、露白及其切割精度不高和效率低下等問題，引入激光振鏡系統(tǒng)，實現(xiàn)無接觸切割。研究表明，調(diào)整振鏡系統(tǒng)的激光功率、掃描速度、掃描頻率等參數(shù)能夠使極耳切割達到更高的切割精度。

關(guān)鍵詞：極耳切割；高速振鏡；精度

中圖分類號：TN249；TM912? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）24-0049-04

Research on the Application of Laser Galvanometer System Parameters in the Lithium Battery Tab Cutting

WU Liubin

（Jiangnan University， Wuxi? 214122， China）

Abstract： With the continuous development of technology， new energy has gradually caught people's attention， and China has achieved tremendous achievements in multiple fields. Among them， lithium batteries， as an important technological product in the battery industry， have attracted widespread attention from industry professionals due to their high power， long service life， low potential costs， good inherent safety， and good environmental compatibility. In response to the problems of burrs， powder shedding， exposure， low cutting accuracy， and low efficiency in traditional lithium battery tab cutting， a laser galvanometer system is introduced to achieve contactless cutting. Research has shown that adjusting parameters such as laser power， scanning speed， and scanning frequency of the galvanometer system can achieve higher cutting accuracy in battery tab cutting.

Keywords： tab cutting; high-speed galvanometer; accuracy

0? 引? 言

隨著科技的不斷發(fā)展，各種新能源的應(yīng)用也不斷涌現(xiàn)。風力發(fā)電、核能發(fā)電、水力發(fā)電等技術(shù)也在不斷升級。鋰離子電池因其具有容量大、工作電壓高、工作壽命長且沒有記憶效應(yīng)等優(yōu)點而在世界能源舞臺上處于主角地位。目前，我國的動力鋰電池行業(yè)尚處于初級發(fā)展階段，需要從國外大量進口動力鋰電池的關(guān)鍵部件，其核心的研發(fā)技術(shù)也遠遠落后于發(fā)達國家。

但我國學者在極耳切割領(lǐng)域做出了不菲的貢獻。其中，呂以全、張瑞波等利用PLC對兩臺交流伺服驅(qū)動器的控制來驅(qū)動交流伺服電動機實現(xiàn)對電池極耳的切割，一個直流伺服電機用來調(diào)節(jié)橫向電池組電極的長度，一個直流伺服電機用來調(diào)節(jié)橫向電池組電極的切口，實現(xiàn)批量極耳切割；江樺銳、張松嶺針對鋰電極耳切割質(zhì)量和效率不佳難題，建立納秒激光切割極片的模型，研究鋰電池極耳納秒脈沖激光切割新工藝，以及根據(jù)切削形態(tài)的特點采用熱影響、平面毛刺和端面毛刺的平均值來判定切削鋰電池極耳的品質(zhì)；李俊杰、劉宇斐等針對電池極片模切機生產(chǎn)的極片有毛刺進而影響電池質(zhì)量的問題，設(shè)計一種基于嵌入式控制器的鋰離子電池切片機，能夠連續(xù)動態(tài)切割鋰離子動力電池的陽極，極耳一次成型。然而，常規(guī)的機械式切割方法在電極上加工時，極耳會產(chǎn)生大量的毛刺、灰塵，降低電極的工作效率和工作壽命。采用激光切削技術(shù)可以大幅提升鋰離子電池的使用壽命，對其切削效率和切削品質(zhì)有顯著的影響。對激光切削技術(shù)進行深入的探討，并對加工過程中的各種因素進行適當調(diào)整，實現(xiàn)了減少毛刺、提高加工精度的目的。與常規(guī)切割不同的是，使用激光切割不僅可以提高切割準確性，還可以提高切割效率。

1? 激光切割極耳機理

對于激光切割鋰電材料，熱量和光化學反應(yīng)在激光切削過程中產(chǎn)生的影響取決于被處理的物質(zhì)及激光工作方式。例如，以鋰電耳片作為處理目標時，存在顯著的燒蝕痕和飛濺物，即存在以加熱為主的現(xiàn)象。鋰電材料激光切割的熱傳遞模型如圖1所示。

在激光的作用下，物質(zhì)對光束的吸收及熱量向其內(nèi)部的傳導(dǎo)，同樣遵循著熱力學的基本規(guī)律。熱傳播的三種途徑為熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。當激光束作用于極耳物質(zhì)表面時，在該物質(zhì)受熱時，其導(dǎo)熱系數(shù)和物質(zhì)的溫度分別為：

其中，T表示坐標x、y、z以及時間t的一個函數(shù)的溫度；α表示導(dǎo)溫系數(shù)；cp表示容積熱容系數(shù)；k表示熱傳導(dǎo)率；A表示每一時刻每一容積釋放出來的熱量，它依賴于所處的位置及時間點。

在空間上，脈沖的能量是均一的，隨時間呈高斯分布，并且可以用以下函數(shù)表示隨時間推進脈沖的功率密度：

其中，I0表示脈沖峰值功率密度；Qs表示脈沖能量密度；t0表示脈沖峰值時間；ω表示脈沖寬度（FWHM）；σ表示高斯誤差。

如果激光的功率太小，不可能切割得開，如果激光的功率太大，就會造成金屬的高溫。脈沖激光器的脈沖寬度與峰值功率及反復(fù)頻率之間存在如下定量關(guān)系：脈沖能量=峰值功率×脈沖寬度；平均功率=沖擊能量×重復(fù)性次數(shù)。切削速率是由控制脈沖反復(fù)次數(shù)的上界和允許的交迭來確定的。在確定了重合度之后，切削速率便由激光的重合度來決定，重合度越高，切削的速率也就越高。

圖2是對鋰電材料進行激光加工時的熱影響區(qū)，熱影響區(qū)又叫熱效應(yīng)區(qū)（HAZ），是指在焊接過程中使固體基體在熔池中產(chǎn)生顯著的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)改變的地方。熱影響區(qū)尤其是對金屬表面和邊緣光潔度有顯著的影響。

在鋰電極耳處，激光切削的熱影響區(qū)不僅會使材料變硬，而且還會使材料的邊沿產(chǎn)生下陷、侵蝕等現(xiàn)象。鋰電池材料在進行精確切削時的熱傳導(dǎo)方程為：

其中，Δh表示材料導(dǎo)熱長度；λ表示物質(zhì)的熱傳導(dǎo)率；ρ表示物質(zhì)的密度；C表示物質(zhì)的比熱容；t表示物質(zhì)的工作時間。

表1給出了激光切削特點和特性的判定。采用毛刺、熱影響區(qū)和表面灰塵等方法對鋰電極進行了激光加工。

2? 激光振鏡系統(tǒng)

為了實現(xiàn)上述目標，舍棄傳統(tǒng)的刀具加工模式，引入非接觸式激光加工模式，使加工效率得以提高，加工效果得到優(yōu)化。激光加工具有對加工材料熱影響小、加工靈活、不挑剔加工材料等優(yōu)點。

利用激光進行極耳切割具有切割痕跡窄、切割速度快、切割面質(zhì)量好、無機械應(yīng)力、噪聲污染小等特點。而利用激光進行切割的操作中振鏡系統(tǒng)必不可少的要件。振鏡又稱為掃描頭，由電腦控制卡使激光器發(fā)射激光光源，由兩個伺服直流電機分別控制兩個鏡片旋轉(zhuǎn)反射其激光，再通過F-Theta聚焦鏡聚焦，像高與光束的入射角成正比，使得最后的激光可以在一個比較大的聚焦平面上運動。

如圖3所示為振鏡的簡單示意圖。

3? 實驗方案及實驗材料

3.1? 實驗設(shè)備

實驗設(shè)備采用IPG脈沖光纖激光器、無錫鐳可施光電技術(shù)有限公司的14 mm四代激光振鏡頭、光路系統(tǒng)、工作臺、TZTEK二次元影像測量儀等儀器及鋁片。參數(shù)如表2所示，工作平臺如圖4所示。

3.2? 實驗參數(shù)

切割精度的影響因素包括激光功率、激光頻率、掃描速度等。根據(jù)該實驗振鏡的實驗參數(shù)，10%范圍的響應(yīng)時間為450 μs。由于該實驗所配備的場鏡為180 mm×180 mm，即振鏡掃描18 mm所需的時間為450 μs，振鏡掃描速度可達到40 m/s。如圖5所示為振鏡掃描速度很高時產(chǎn)生的非連續(xù)性直線。因此，必須對振鏡激光的波束間隔進行有效的調(diào)控。如果掃描范圍過小，則會減慢光束打標的速率；如果掃描范圍過大，所畫的線將會呈現(xiàn)出不連續(xù)的點形。

因此該實驗采用美國SMC軟件在操作界面畫出一個50 mm×50 mm的填充正方形，其中的填充為45°雙向填充，填充的間距為0.1 mm，這樣在觀測的時候更容易看出其精度差別。圖6為操作設(shè)置界面。圖7為實際加工中在影像儀下觀測到的一組數(shù)據(jù)。

將激光功率設(shè)置為35%，掃描頻率設(shè)置為80 kHz，僅改變掃描速度，取其中的6條線段，量取其間距，單位為mm，詳細數(shù)據(jù)如表3所示。

將激光功率設(shè)置為35%，掃描速度設(shè)置為5 m/s，僅改變掃描頻率，取其中的6條線段，量取其間距，單位為mm，詳細數(shù)據(jù)如表4所示。

將掃描速度設(shè)置為5 m/s，掃描頻率設(shè)置為80 kHz，僅改變激光功率，取其中的6條線段，量取其間距，單位為mm，詳細數(shù)據(jù)如表5所示。

將表3和表4的數(shù)據(jù)制作成折線圖，便于分析數(shù)據(jù)，分別如圖8、圖9所示。

4? 結(jié)? 論

該實驗控制兩項因素，改變其中一項因素分別得到5組實驗數(shù)據(jù)。保持激光功率和頻率不變，僅改變其掃描速度時，速度越慢，掃描的精度越高，當?shù)竭_一個臨界點即8 m/s時，精度逐漸下降。保持掃描速度和掃描頻率不變，僅改變其激光功率時，由一開始比較差的精度逐步上升，當?shù)竭_一個臨界點即80 kHz時，精度逐漸下降，呈現(xiàn)出一個波峰狀。保持激光功率和掃描速度不變，僅改變其掃描頻率時，由于一開始的功率不夠無法掃描出填充，直至增加到20%后，才能慢慢掃描出填充，激光功率對掃描精度的影響不大，主要影響的是光斑的大小，激光功率越大，光斑越大。因此，采用激光振鏡系統(tǒng)進行極耳切割，改變激光掃描頻率和掃描速度，同時控制激光功率將光斑的大小控制在一個合適的大小，能夠在提高極耳切割精度的同時，使傳統(tǒng)機械模切導(dǎo)致的毛刺粉塵問題也得以解決。

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作者簡介：吳劉斌（1995.10—），男，漢族，江蘇無錫人，碩士研究生在讀，研究方向：電力電子與電氣傳動。