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单模500W MOPA光纤激光器为何是新能源极片切割的新利器?

目前全球新能源汽车销量火爆,带动了动力电池需求爆发式增长。2021年1-9月,全球动力电池装机量为195.4GWh,同比增长128%;中国动力电池装机量为92GWh,同比增长169.1%。海通证券研究所测算:2025年中国新能源汽车销量、动力电池需求量分别为702万辆、456GWh,2020-2025年呈现较快增长状态,复合增速分别达38.71%与48.66%。

至2025年动力电池需求456GWh相比2020年63GWh有较大的增长空间。锂电池生产厂商纷纷扩大产能,高速产线是必然的趋势。目前一条线20GWh的生产效率都难以达到,而限制生产效率的短板在于极片切割环节。例如,单台设备(200W)极片切割速度90m/min,极限产能也只有10GWh(24h全年连续化生产)。极片切割主要使用的激光光源还是单模脉冲100W和200W,更高功率的单模MOPA激光器市场少之又少。

光至科技是一家以“服务精密制造的先进光源供应商”为定位的高科技企业,提供20W-500W全系列可调纳秒脉冲MOPA激光器以及各类高性能新型定制产品。我们基于单模250W MOPA光纤激光器用于动力电池极片切割的应用做了大量的研究。

针对极片切割的特点,YFPN-250-CUT具有高光束质量M2<1.6,多达16种脉宽(10~500ns)选择,最高2mJ单脉冲能量,同时具备在线功率、频率的切换且切换时长小于10us的特点,可满足极耳铜箔、石墨、铝箔和陶瓷层四种材料的切割工艺。

铜箔切割

测试不同脉宽不同频率下铜箔的最大切割速度,发现在各波形下的中心频率可取得最大切割速度,而随着频率的增加最大切断速度下降。其次,研究还发现在长脉宽的中心频率切割时,由于单脉冲能量较大,切割效率和效果都不太理想,主要是由于脉冲多余的能量都转为余热增大了热影响区,加大速度后脉冲重叠率过低而毛刺增加明显;脉宽太小又会造成单脉冲能量不足而切不断。因此铜箔切割需选择合适的脉宽保证峰值和能量,以获得高速且品质较好的效果。

不同脉宽频率下最大速度切割测试
铜箔切割品质效果图

石墨切割

在对石墨进行切割测试时可发现其工艺窗口区间较大,在保证切断的前提下其端面均不会出现熔珠毛刺的现象,但过大的激光能量会导致平面漏金属和热影响区较大。合理控制激光能量,降低热影响区和漏金属是保证石墨切割品质优异的关键。

不同脉宽不同频率下最高速度切割测试
石墨切割品质效果图

铝箔切割

动力电池极片切割的难点在于保证正极材料切割的品质和效果的一致性。其中切割铝箔及陶瓷层品质好坏是衡量一套激光设备性能及工艺可靠的标尺。在对铝箔进行切割测试时,其表现主要为平面毛刺和飞溅,合理控制激光工艺参数,保证一定的光斑能量密度及光束重叠率可以得到较好且稳定的切割效果。

不同脉宽不同频率下最高速度切割测试
铝箔切割品质效果图

陶瓷层切割

陶瓷层的切割是动力电池极耳激光切割的难点,其主要原因在于影响因素众多且切割一致性较差。为了克服切割一致性的问题,光至科技YFPN-250-CUT MOPA激光器经过在客户现场的调试并不断改进升级,最终切割品质满足客户使用要求并得到认可。陶瓷层切割不良的主要表现在平面毛刺和端面毛刺超标,经过大量的验证及分析,得到了较优的工艺窗口且满足切割品质要求。

不同脉宽不同频率下最高速度切割测试
陶瓷层切割品质效果图

在线变功变频

在实际的激光极耳切割过程中,所要切割的极耳形状如下图所示,在切割不同区域时要求激光器使用不同的工艺参数,此激光器可在不断光的前提下进行高速参数切换(功率、频率切换时长 t<10us)。

激光飞行切割轨迹
变功变频参数切换

YFPN-250-CUT MOPA激光器对极耳铜箔、石墨、铝箔和陶瓷层四种材料进行切割验证,均能达到较优的切割效果且满足10GWh的生产产能(70m/min)。对于动力电池厂家20GWh的高速产线,极片切割速度要求不低于120m/min,250W功率难以满足。

光至科技在250W的基础上推出了单模500W MOPA光纤激光器。YFPN-500-CUT拥有YFPN-250-CUT的全部特点,即高光束质量(M2  1.6),16种脉宽(10~500ns)选择,重复频率高达4000kHz,同时具备在线功率、频率的切换且切换时长小于10us的特点。

YFPN-500-CUT在出厂前,我们进行了长达200小时的功率稳定性测试,其功率波动低于2%。

经测试,YFPN-500-CUT用于极片切割,产线速度可达120m/min以上,是YFPN-250-CUT切割的2倍,且效果基本无变化,能满足动力电池高速产线的生产需求。

武汉光至科技有限公司是一家定位于服务精密制造的先进光源供应商。为了满足各客户的需求,正打造以武汉总部为中心,5大办事处服务全国的布局,目前已建成的有华南深圳办事处和华东苏州办事处,均可为客户提供打样服务。

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