近二十年來，激光加工技術已成為發展最快的高新技術之一，為傳統制造業改造提供了充足支持。相較于傳統極耳焊接、極片切割模式而言，激光焊接、激光切割模式可以實現自動化操作，并解決毛刺、露白、掉粉等一系列問題，為鋰電池性能的提升提供依據。因此，從激光加工技術的應用入手，探究極耳焊接與極片切割工藝具有非常突出的現實意義。
2. 激光焊接與激光切割的原理
2.1激光焊接
激光焊接主要是將高能量密度激光束作為熱源，在功率密度小于104～105W/cm2時，經熱傳導加熱工件表面，進行緩慢焊接，焊接熔深較淺；或者在功率密度超過105～107W/cm2時，通過控制激光脈沖峰值功率、寬度、重復頻率、能量促使工件熔化并形成特定熔池，進行快速焊接，焊接熔深較大。
2.2激光切割
激光切割主要指利用激光切割材料，需要借助光學器件，引導輸出高功率激光束。同時根據激光器內運動控制系統跟蹤待切割工件軌跡，對準材料聚焦激光束，促使材料發生熔化、蒸發、燃燒、吹散等反應，獲得表面光潔度較高的邊緣。
3. 激光焊接在極耳焊接中的應用
3.1焊接裝置選擇
根據極耳焊接要求，焊接加工者可選擇半自動焊接裝置或全自動焊接裝置。前者主要為手持式激光焊接機，其主要為圓盤結構，每間隔90°進行了V型槽開設，V型槽內可放置電池圓柱體零件，壓緊零件后聚焦激光束至焊接部位，每焊接一個零件進行90°的轉動，第二個焊接點則轉動0.50mm；后者則是通過直筒漏斗方式上料，每經過一個“圓坑”、V型槽分別自動放入電池蓋、待焊接電池主體，進行自動焊接。常用的激光焊接裝備為SOUPACT緊湊型激光拼焊設備、泰德激光焊接系統等。
3.2焊接參數設置
考慮到當前軟包鋰離子電池為多種負極鋁與銅匯流片焊接模式，銅極耳厚度在0.2–0.5mm左右，鋁極耳焊接厚度在0.2～0.6mm左右。因此，在激光焊接極耳時，需要設定激光波長為1064nm，激光功率為110W～200W，光斑28μm，激光掃描速度與脈沖頻率分別為500mm/s、200kHz，重復頻率為0.4～20MHz，脈沖寬度為50–120ns。并控制極耳焊接縫隙寬度在1.2～2.4mm內，焊接縫隙深度在1.2～1.8mm內。同時保證極耳寬度精度與極耳間距精度、極耳高度精度均小于等于±0.15mm。
3.3焊接過程控制
當前，在極耳激光焊接過程中，半自動焊接方法應用較少，以全自動焊接較為常見。
在全自動焊接過程中，焊接流程如下：如圖1所示，首先需要啟動裝置，開展待焊接零部件位置的檢測，只有電池蓋、待焊接電池主體均處于正確位置，方可啟動焊接、轉平、下料、移位等工序。
其次，在確定焊接零部件位置正確后，需要完成極耳的自動轉平操作。因電池主體為自動放入，無法保證極耳處于水平位置，此時，就需要利用光電檢測方式，待極耳轉入水平位置后自動停止，保證后續壓緊、焊接操作正常開展。同時因極耳對焊接平直度具有較高的要求，需要利用電磁去除裝置將存在彎曲、扭動等與標準不相符的電池零件自動去除，防控“焊廢”現象。
再次，在壓緊過程中，主要依靠自動壓緊裝置，多為微機控制的四連桿式電磁自動機構，可在焊接前壓緊極耳、安全閥，為激光穿透式焊接提供良好的條件。因每一鋰電池焊接點位為2個（距離在0.50mm左右），因此，為保證電極接觸的可靠性、安全性，需要重復啟動2次壓緊機構并進行激光器的2次焊接。
最后，焊接完畢后，將電池轉入下道工序，實現自動下料。一般自動下料機構為永磁滾筒刮板滑道式，可以在角度、位置恰當的情況下，由磁鐵吸附電池滾筒促使電池體由刮板進入彎曲下降的滑梯式滑道，經滑道進入下一道工序。
4. 激光切割在極片切割中的應用
4.1切割設備選擇
根據鋰電池極片材質，可以選擇不同的鋰電池極片切割系統。比如，對于鋰電池負極銅箔，可以選擇1064nmMOPA型光纖激光器，其峰值功率密度為2.4×106W/mm2，可以通過對種子源的電進行調制，在兆赫茲工作頻率內實現幾納米到幾十納米的“窄脈寬”切割。再如，對于鋰電池正極鋁箔，可以選擇脈沖達到皮秒級的皮秒激光器，其可以通過進行種子源鎖模，獲得超窄脈沖信號。進而經放大級別輸出，在幾十兆赫茲工作頻率內實現幾納米的“超窄脈寬”切割。同時皮秒激光器可以利用三倍頻技術，將1064nm近紅外激光向355nm紫外光、532nm綠光轉化，滿足多種類別材料加工需求，并在激光脈寬小于材料電－聲弛豫時間時實現“冷加工”。
4.2切割參數設置
在應用1064nmMOPA型光纖激光器切割8.0μm銅箔（鋰電池負極）時，可以設定脈寬為20ns，工作頻率與單脈沖能量分別為760kHz、0.13mJ，改善銅箔切割毛刺問題，并將毛刺尺寸控制在10μm內，同時減少鋰電池銅箔極片切割飛濺、熔融層尺寸誤差。部分情況下，為了減少熔融層“魚鱗紋”現象，也可以將脈沖頻率進行進一步提高，杜絕熔融重新凝結層。需要注意的是，在將脈寬一定、調高平均功率的同時，還需要根據激光器聚焦需要，調整焦點光斑直徑為60μm，調整銅箔切割時振鏡走筆速度為800mm/s?？紤]到銅箔具有高熱導率，材料吸收的激光能量不僅可以發生熔融汽化切口，而且可以沿著切口向材料內部、周邊傳遞，形成熔融區、熱擴散區多個區域。一般熔融區下方會出現顯著的亮白色+紅色+黃色熱影響帶，由近切口段向遠處分布。
在應用9.1W皮秒激光器532nm綠光激光器切割鋁箔正負極片時，可以設定脈寬為10ps，切割速度為1000mm/s，重復頻率為300kHz，縮小正極片熔融重新凝結區域，減弱熔融區下方亮白色+紅色+黃色熱影響帶，消除白色光亮層、紅色熱擴散層。而對于銅箔正負極片，因其電聲弛豫時間為57.5ps＞10ps（激光脈寬），極易致使電子獲得能量無法滿足與晶格完全交換熱量需求，因此，可以依托高能激光環境，圍繞最外層電子大量能量電離與內層電子碰撞電離過程，以高價正電母離子帶離為對象，觀察切口熱效應。根據觀察結果，進行切割參數的調整，或者進行輔助氣體的應用，如將常溫輔助氣體變更為低溫輔助氣體等。
4.3切割過程控制
在鋰離子電池極片激光切割過程中，常用的切割方法為立式、臥式，前者用于疊片式電池切割，需要在傳輸帶上水平運輸極片，在極片到達激光發射裝置下進行切割；后者多用于卷繞式電池極片切割，并通過在極片上方設置吸塵罩及時吸附切割過程中產生的粉塵?？紤]到在極片上方吸塵的方式極易導致極片切割不平整、切割精度下降問題出現，可以通過激光發射裝置、水平傳輸驅動裝置、鋰離子電池極片切割吸附裝置、切割模塊循環輸送裝置運行過程的嚴格控制，去除極片上方吸塵罩，保證極片切割精度。即將鋰離子電池極片切割吸附裝置設置在驅動模塊傳輸的鋰離子電池極片上方，促使其在循環輸送模塊第一輸送帶邊緣與鋰離子電池極片同時移動。在切割模塊移動到切割位置后，由控制器直接啟動激光發射裝置，對鋰離子電池極片進行切割。對于電池極片切割過程中出現的廢渣則通過切割模塊上設置的切割軌跡槽排出，同時通過切割模塊中設置的負壓通道吸附細小塵土。
5. 總結
綜上所述，利用激光加工技術，可以在保證極耳焊接、激光切割質量的同時，提高加工效率，并降低維護作業量，助力鋰電池極片切割、極耳焊接加工效益的提升。因此，在極耳焊接、極片切割過程中，加工者可以根據加工需求選擇恰當的激光器，如皮秒激光器、MOPA激光器、紫外激光器等，并進行激光器波長、脈寬、最大單脈沖能量等參數的調整，保證激光加工優勢的充分發揮。
