揭秘單模500W MOPA光纖激光器為何是新能源極片切割的新利器
發(fā)布時間:2021-11-12
目前全球新能源汽車銷量火爆,帶動了動力電池需求爆發(fā)式增長。2021年1-9月,全球動力電池裝機量為195.4GWh,同比增長128%;中國動力電池裝機量為92GWh,同比增長169.1%。海通證券研究所測算:2025年中國新能源汽車銷量、動力電池需求量分別為702萬輛、456GWh,2020-2025年呈現(xiàn)較快增長狀態(tài),復(fù)合增速分別達38.71%與48.66%。
至2025年動力電池需求456GWh相比2020年63GWh有較大的增長空間。鋰電池生產(chǎn)廠商紛紛擴大產(chǎn)能,高速產(chǎn)線是必然的趨勢。目前一條線20GWh的生產(chǎn)效率都難以達到,而限制生產(chǎn)效率的短板在于極片切割環(huán)節(jié)。例如,單臺設(shè)備(200W)極片切割速度90m/min,極限產(chǎn)能也只有10GWh(24h全年連續(xù)化生產(chǎn))。極片切割主要使用的激光光源還是單模脈沖100W和200W,更高功率的單模MOPA激光器市場少之又少。
光至科技是一家以“服務(wù)精密制造的先進光源供應(yīng)商”為定位的高科技企業(yè),提供20W-500W全系列可調(diào)納秒脈沖MOPA激光器以及各類高性能新型定制產(chǎn)品。我們基于單模250W MOPA光纖激光器用于動力電池極片切割的應(yīng)用做了大量的研究。
針對極片切割的特點,YFPN-250-CUT具有高光束質(zhì)量M2<1.6,多達16種脈寬(10~500ns)選擇,最高2mJ單脈沖能量,同時具備在線功率、頻率的切換且切換時長小于10us的特點,可滿足極耳銅箔、石墨、鋁箔和陶瓷層四種材料的切割工藝。
波形圖
銅箔切割
測試不同脈寬不同頻率下銅箔的最大切割速度,發(fā)現(xiàn)在各波形下的中心頻率可取得最大切割速度,而隨著頻率的增加最大切斷速度下降。其次,研究還發(fā)現(xiàn)在長脈寬的中心頻率切割時,由于單脈沖能量較大,切割效率和效果都不太理想,主要是由于脈沖多余的能量都轉(zhuǎn)為余熱增大了熱影響區(qū),加大速度后脈沖重疊率過低而毛刺增加明顯;脈寬太小又會造成單脈沖能量不足而切不斷。因此銅箔切割需選擇合適的脈寬保證峰值和能量,以獲得高速且品質(zhì)較好的效果。

不同脈寬頻率下最大速度切割測試
銅箔切割品質(zhì)效果圖
石墨切割
在對石墨進行切割測試時可發(fā)現(xiàn)其工藝窗口區(qū)間較大,在保證切斷的前提下其端面均不會出現(xiàn)熔珠毛刺的現(xiàn)象,但過大的激光能量會導(dǎo)致平面漏金屬和熱影響區(qū)較大。合理控制激光能量,降低熱影響區(qū)和漏金屬是保證石墨切割品質(zhì)優(yōu)異的關(guān)鍵。

不同脈寬不同頻率下最高速度切割測試
石墨切割品質(zhì)效果圖
鋁箔切割
動力電池極片切割的難點在于保證正極材料切割的品質(zhì)和效果的一致性。其中切割鋁箔及陶瓷層品質(zhì)好壞是衡量一套激光設(shè)備性能及工藝可靠的標(biāo)尺。在對鋁箔進行切割測試時,其表現(xiàn)主要為平面毛刺和飛濺,合理控制激光工藝參數(shù),保證一定的光斑能量密度及光束重疊率可以得到較好且穩(wěn)定的切割效果。
不同脈寬不同頻率下最高速度切割測試
鋁箔切割品質(zhì)效果圖
陶瓷層切割
陶瓷層的切割是動力電池極耳激光切割的難點,其主要原因在于影響因素眾多且切割一致性較差。為了克服切割一致性的問題,光至科技YFPN-250-CUT MOPA激光器經(jīng)過在客戶現(xiàn)場的調(diào)試并不斷改進升級,最終切割品質(zhì)滿足客戶使用要求并得到認可。陶瓷層切割不良的主要表現(xiàn)在平面毛刺和端面毛刺超標(biāo),經(jīng)過大量的驗證及分析,得到了較優(yōu)的工藝窗口且滿足切割品質(zhì)要求。
不同脈寬不同頻率下最高速度切割測試
陶瓷層切割品質(zhì)效果圖
在線變功變頻
在實際的激光極耳切割過程中,所要切割的極耳形狀如下圖所示,在切割不同區(qū)域時要求激光器使用不同的工藝參數(shù),此激光器可在不斷光的前提下進行高速參數(shù)切換(功率、頻率切換時長 t
激光飛行切割軌跡
變功變頻參數(shù)切換
YFPN-250-CUT MOPA激光器對極耳銅箔、石墨、鋁箔和陶瓷層四種材料進行切割驗證,均能達到較優(yōu)的切割效果且滿足10GWh的生產(chǎn)產(chǎn)能(70m/min)。對于動力電池廠家20GWh的高速產(chǎn)線,極片切割速度要求不低于120m/min,250W功率難以滿足。
光至科技在250W的基礎(chǔ)上推出了單模500W MOPA光纖激光器。YFPN-500-CUT擁有YFPN-250-CUT的全部特點,即高光束質(zhì)量(M21.6),16種脈寬(10~500ns)選擇,重復(fù)頻率高達4000kHz,同時具備在線功率、頻率的切換且切換時長小于10us的特點。
YFPN-500-CUT在出廠前,我們進行了長達200小時的功率穩(wěn)定性測試,其功率波動低于2%。
經(jīng)測試,YFPN-500-CUT用于極片切割,產(chǎn)線速度可達120m/min以上,是YFPN-250-CUT切割的2倍,且效果基本無變化,能滿足動力電池高速產(chǎn)線的生產(chǎn)需求。
武漢光至科技有限公司是一家定位于服務(wù)精密制造的先進光源供應(yīng)商。為了滿足各客戶的需求,正打造以武漢總部為中心,5大辦事處服務(wù)全國的布局,目前已建成的有華南深圳辦事處和華東蘇州辦事處,均可為客戶提供打樣服務(wù)。
來源:光至科技