MKS：使用皮秒红外激光器和脉冲串模式切割锂离子电池箔

锂离子电池是各种应用的首选储能介质，包括手机和智能手表等移动设备，以及电动汽车和家用储能系统的电源组。这类市场的增长推动了人们对锂离子电池的需求，促使制造商开发成本更低、速度更快的生产方法。

锂离子电池采用分层式结构，由多个部分组成：阴极电池箔、阳极电池箔、隔离材料和电解质。电池箔由金属基材和基材上的活性材料涂层组成，阳极的金属基材通常为铜，阴极通常为铝。阳极最常用的活性材料为石墨，而阴极的活性材料会采用多种不同的化学成份，例如 NMC (LiNiMnCoO2)、LFP (LiFePO4) 或 LNMO (LiNi0.5Mn1.5O4)。

电池箔采用卷对卷加工，通常需要单次切割，速度越快越好。然而，切割质量同样非常重要，因为切口边缘的瑕疵可能会造成箔间短路，引发热逃逸，导致灾难性故障。超短脉冲激光器在加工各种材料能够产生最低限度的发热和熔化，自然非常适合满足对速度和质量的需求。

我们在这里展示了 IceFyre® IR50 皮秒激光器对电池箔材料的加工结果。特别重要的是，我们展示了 TimeShift 脉冲串模式切割与传统的单脉冲加工相比，在速度和质量方面的优势。

我们研究了单次净切割速度，即穿透材料时的最大速度（允许切口存在少量搭接）；以及涂层回缩，即涂层从金属箔切口边缘缩回的距离（因其烧蚀阈值低于金属箔基材）。

我们在测试中使用的阴极材料是厚度约为 16 μm 的铝箔，两面覆有 NMC 涂层，总厚度约为 100 μm。我们使用的阳极材料是厚度约为 11 μm 的铜箔，两面覆有石墨涂层，总厚度约为 98 μm。

图 1. 使用脉冲串与单脉冲切割阳极和阴极金属箔的净切割速度与每秒脉冲数

我们对电池箔样品进行单次加工，收集了从 400 kHz 到 8 MHz 各种重复频率下的单脉冲加工数据，以及 400 kHz 重复频率下各种脉冲串数量（2 到 20 个脉冲串子脉冲）的脉冲串模式加工数据。为了将结果进行对比，我们为脉冲串模式数据分配了等效的重复频率，计算方法是脉冲串子脉冲数量乘以 400 kHz 的设定重复频率。例如，包含 10 个子脉冲的脉冲串在 400 kHz 重复频率下工作，其每秒脉冲数为10×400,000 = 4,000,000 个，因此在横轴（X 轴）的 4 MHz 点处标绘了相应的数据点。同样，8 MHz 处的脉冲串数据点表明实际激光输入（400 kHz 重复频率下）为8,000 kHz/400 kHz = 20 个脉冲串脉冲。这种数据表示形式可以在同一图中标绘两个数据集与相应的重复频率。

图中标绘了阴极和阳极材料的净切割速度与每秒脉冲数（图 1）。两种材料在图中都展示了明确的速度优势，随着脉冲串子脉冲数量提高，迅速超过了单脉冲切割速度。在脉冲串模式下，阴极和阳极材料的净切割速度比单脉冲模式分别提高了大约 35% 和 57%。

图 2. 使用脉冲串与单脉冲切割阴极金属箔的涂层回缩与每秒脉冲数

我们还为涂层回缩生成了类似的图，展示了阴极材料的涂层回缩与每秒脉冲数（图 2）。此图表明，随着每秒脉冲数提高，单脉冲和脉冲串模式的涂层回缩都在降低，而将两者的最低值相比，脉冲串模式的涂层回缩比单脉冲低大约22%。

图 3.阳极金属箔切口边缘的 SEM 图片。（上图）使用单脉冲模式在 400 kHz 重复频率下加工样品。（下图）使用包含 20 个脉冲的脉冲串在 400 kHz 重复频率下加工样品。图片显示了金属箔由于涂层回缩而如预期出现的突起。金属箔未脱离原有层，几乎没有毛边或污迹

图片用于目视检查，对边缘质量进行定性研究。图 3 显示了在阳极箔切口边缘拍摄的两张 SEM（扫描电子显微镜）图片。两个切口都是在 400 kHz 重复频率下进行加工，上图和下图分别显示了单脉冲和包含 20 个脉冲的脉冲串所产生的切口。两张图都显示了金属箔切口边缘的涂层回缩，但未经优化的单脉冲工艺造成的涂层回缩更严重。同样值得注意的是，脉冲串和单脉冲加工的切口质量都非常好，几乎没有出现熔化和毛边等会对高性能电池的长期可靠性造成负面影响的迹象。

除了研究带涂层的电池箔，我们还调查了裸铜箔和铝箔的净切割速度。我们将脉冲串与单脉冲的表现进行了对比（图 4），与带涂层的金属箔一样，脉冲串的表现明显更好，铝箔的净切割速度提高了大约 71%，铜箔提高了大约165%。

这些结果明确表明，与单脉冲加工相比，脉冲串加工的优势明显，能够提高产量和总体质量。IceFyre IR50 皮秒激光器采用了 TimeShift 技术，能够灵活定制脉冲串参数，充分优化锂离子电池制造中所需的各种切割工艺。

图 4. 脉冲串和单脉冲加工裸铝和裸铜的切割速度与每秒脉冲数

IceFyre 工业皮秒激光器

IceFyre UV50 是市面上表现优异的紫外皮秒激光器，在 1.25 MHz (>40 μJ) 时提供 >50 W 的紫外输出功率，脉冲串模式下的脉冲能量为 100 μJ，脉冲宽度为 10 ps。IceFyre UV50 设定了从单次激发到 10 MHz 的功率和重复率的新标准。Ice FyreUV30 提供 >30 W 的典型紫外输出功率，脉冲能量 >60 μJ（脉冲串模式下脉冲能量更大），具有从单次激发到 3 MHz 的优异性能。IceFyre IR50 在 400 kHz 单脉冲时提供 >50 W 的红外输出功率，具有从单脉冲到 10 MHz 的优异性能。IceFyre 激光器的独特设计利用光纤激光器的灵活性和 Spectra-Physics 独有的功率放大器能力，实现 TimeShift ps 可编程脉冲串模式技术，实现业内较高的多功能性。每台激光器均配备一组标准波形；可选的 TimeShift ps GUI 可用于创建自定义波形。该激光器的设计可为高扫描速度的优质加工（例如使用多面扫描镜）实现同类激光器中时间抖动极其低的按需脉冲 (POD) 和位置同步输出 (PSO) 触发功能。