疊片工藝獲突破！激光技術(shù)解決正極極片模切難題
近幾年，隨著新能源市場的火熱，動力電池裝機量逐年提升，其設(shè)計理念及加工工藝也在不斷改進，其中關(guān)于電芯的卷繞工藝、疊片工藝的討論從未停止過。目前市場上主流的是效率更高、成本更低、應(yīng)用更成熟的卷繞工藝，但這種工藝難以控制電芯之間的熱隔離，容易導(dǎo)致電芯局部過熱，存在熱失控蔓延的風(fēng)險。
相比之下，疊片工藝可以更好的發(fā)揮大型電芯優(yōu)勢，其在安全性、能量密度、工藝控制均比卷繞占據(jù)優(yōu)勢。此外，疊片工藝可以更好控制電芯良率，在用戶對新能源車續(xù)航里程越來越高的趨勢下，疊片工藝高能量密度的優(yōu)勢更有前景。目前，動力電池頭部廠家均對疊片工藝進行研究和生產(chǎn)。
長續(xù)航需求明顯疊片電池更具潛力
對新能源汽車的潛在車主而言，里程焦慮無疑是影響他們做出購車選擇的關(guān)鍵因素之一。尤其是充電設(shè)施不完善的城市，對長續(xù)航的電動汽車有著更迫切的需求。目前，純電的新能源汽車官方公布的續(xù)航里程普遍在300－500公里，真實續(xù)航視氣候、路況，往往會在官方公布的基礎(chǔ)上打折。能否提高真正的續(xù)航里程，與動力電池的能量密度息息相關(guān)。
基于這樣的趨勢，動力電池廠也在做兩方面的努力。一方面是提高單體能量密度，另一方面是提高整個電池包的能量密度。提高能量密度除了增加續(xù)航外還有個好處，即——大幅降低電控管理的難度。以特斯拉小圓柱電池為例，它內(nèi)部有數(shù)千個小電池，每個電池都要接入電控系統(tǒng)。而通過疊片工藝做成大電芯，需要接入電控系統(tǒng)的電池數(shù)量大幅下降，電控難度也由此大幅降低。
然而，由于疊片工藝較為復(fù)雜，且有諸多技術(shù)難點需要解決，一定程度上制約了這一工藝的普及。其中一個關(guān)鍵難點，便是模切和疊片過程中產(chǎn)生的毛刺、粉塵容易造成電池短路，存在巨大的安全隱患。再加上正極材料是電芯中的成本占比最高的部分（磷酸鐵鋰正極極片占電芯成本的40％－50％，三元鋰正極極片成本占比更高），若不能找到高效、穩(wěn)定的正極極片加工方式，將給電池制造商造成極大的成本浪費，并制約疊片工藝的進一步發(fā)展。
五金模切現(xiàn)狀——高耗材低上限
目前，在疊片工藝前的模切工序上，市面上普遍采用五金模具沖切，利用沖頭和下刀模極小的間隙對極片進行裁切。這種機械工藝發(fā)展歷史悠久，應(yīng)用相對成熟，但機械咬合帶來的應(yīng)力往往會讓被加工材料存在一些不良表征，如塌角、毛刺等。
為避免出現(xiàn)毛刺，五金模具沖切在調(diào)刀時要根據(jù)極片的性質(zhì)和厚度，尋找最合適的側(cè)向壓力和刀具重疊量，經(jīng)過多輪測試才能啟動批量加工。更重要的是，五金模具沖切在長時間工作后會出現(xiàn)刀具磨損及材料粘刀問題，引起工藝不穩(wěn)定，導(dǎo)致極片裁切品質(zhì)變差，最終導(dǎo)致電池良率下降，甚至出現(xiàn)安全隱患。動力電池廠商為避免出現(xiàn)隱患，往往每3－5天就會換一次刀。盡管廠家公布的刀具使用壽命可能是7－10天，或能切100萬片，但電池廠為避免成批次出現(xiàn)不良品（不良則需要成批次報廢），往往都會提前換刀，而這會帶來巨大的耗材成本。
除此之外，如前文所說，為提高車輛續(xù)航里程，電池廠一直在努力提高電池能量密度。據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露，要提升單體能量密度，在現(xiàn)有的化學(xué)體系下，化學(xué)手段對單體能量密度的提升基本已經(jīng)觸及天花板，只能通過壓實密度和極片厚度這兩塊做文章。而壓實密度提高、極片厚度增加無疑會更傷刀具，這意味著更換刀具的時間還要再度縮短。
此外，隨著電池尺寸加大，用于進行模切的刀具也要做得更大，但刀具變大無疑會降低機械運轉(zhuǎn)的速度，降低裁切效率?？梢哉f，長期穩(wěn)定的品質(zhì)、高能量密度趨勢、大尺寸極片切割效率三大因素決定了五金模切工藝上限，這種傳統(tǒng)工藝將難以適應(yīng)未來的發(fā)展。
皮秒激光解決方案攻克正極模切難題
激光技術(shù)的快速發(fā)展讓人們看到了其在工業(yè)加工中的潛力，尤其是3C行業(yè)已經(jīng)充分證明了激光在精密加工中的可靠性。然而，早期人們嘗試用納秒激光進行極片切割，但由于納秒激光加工后熱影響區(qū)及毛刺較大，無法滿足電池廠商的需求，因此這一工藝未能大規(guī)模推廣。但據(jù)筆者調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前已有企業(yè)提出了全新的解決方案并取得一定成果。
今年8月初舉辦的廣州電池展上，東莞市盛雄激光先進裝備股份有限公司重磅發(fā)布了300W大功率皮秒激光正極極片制片機。從技術(shù)原理上來說，皮秒激光由于脈寬極窄，能夠依靠自身極高的峰值功率，使材料瞬間氣化。與納秒激光的熱加工不同，皮秒激光屬于氣化消融或改質(zhì)加工，熱效應(yīng)微乎其微，不產(chǎn)生融珠，加工邊緣整齊，打破了納秒激光熱影響區(qū)及毛刺較大的困局。
可以說，皮秒激光的模切工藝，恰恰解決了目前五金模切存在的諸多痛點，讓占據(jù)電芯成本最大比重的正極極片切割工序有了質(zhì)的提升。筆者將提升的關(guān)鍵點總結(jié)如下：
1．品質(zhì)及良率
前文提到，五金模切是利用機械咬合的原理，切角易存在缺陷，需要反復(fù)調(diào)試。且機械刀具使用時間長后會出現(xiàn)磨損，導(dǎo)致極片出現(xiàn)毛刺，從而影響整個批次的電池良率。同時，為提升單體能量密度，極片的壓實密度提高、厚度增加也會加劇裁刀的損耗。
而皮秒激光加工品質(zhì)穩(wěn)定，能夠長期穩(wěn)定工作，即便材料加厚也不會造成設(shè)備損耗。據(jù)筆者了解，這款以皮秒激光為核心的正極極片制片機去年就已完成研發(fā)并進廠測試，在一年多的試生產(chǎn)過程中，從常規(guī)厚度120μm、160μm，一直切到200μm、220μm、250μm，成品均無毛刺，均能滿足疊片工藝的要求。據(jù)統(tǒng)計，使用皮秒激光進行極片模切良率達99.9％、尺寸精度≤±70um。
正極極片切割效果
AT9陶瓷切割截面效果
2．綜合效率
從機器的直接生產(chǎn)效率來看，300W大功率皮秒激光正極極片制片機每小時制片量與五金模切制片機基本處于同一水平，但考慮到五金機械每三五天需要換一次刀，而換刀必將導(dǎo)致產(chǎn)線全線停工，換刀后還需重新調(diào)試，每次換刀意味著幾小時的停工。全激光高速制片機則節(jié)約了換刀時間，綜合效率更勝一籌。
3．柔性化
對動力電池廠而言，一條疊片產(chǎn)線往往會承載不同型號電池的生產(chǎn)任務(wù)。每次換型，都會為五金模切設(shè)備多花費幾天時間，考慮到有些電池還有沖角需求，將會進一步延長換型時間。
而激光工藝沒有換型的煩惱。無論是外形變化還是尺寸變化，激光都能“一切了之”。 需要補充的是，在裁斷工序上，如果將590的產(chǎn)品換成960、甚至1200的產(chǎn)品，對五金模切而言需要換大刀，而激光工藝只需要加1－2個光路系統(tǒng)，裁斷效率不會受影響?？梢哉f，不論是換型量產(chǎn)，還是小規(guī)模試樣，激光的柔性化優(yōu)勢都突破了五金模切的上限，能為電池廠家節(jié)省大量時間。
4．綜合成本低
盡管五金模具沖切工藝是目前極片分切的主流工藝，且初期采購成本較低，但需要經(jīng)常修模、換模，且這些維護動作都要導(dǎo)致產(chǎn)線停工，耗費更多工時。相比之下，皮秒激光解決方案無其他耗材，后續(xù)維護成本極低。
據(jù)測算，以590尺寸／160um厚度磷酸鐵鋰正極極片裁切為例，采購皮秒激光設(shè)備第一年的成本高于傳統(tǒng)五金設(shè)備，但第二年二者投入的成本基本持平，等設(shè)備投產(chǎn)到第五年時，皮秒激光設(shè)備的總成本比傳統(tǒng)五金設(shè)備的成本還要低700萬元！
值得一提的是，盛雄激光這款設(shè)備所用的激光器為全自主研發(fā)，核心光電零部件自主可控，不會因國際局勢動蕩而存在斷貨風(fēng)險。
長久來看，在鋰電正極極片切割領(lǐng)域，皮秒激光解決方案有望能完全替代目前的五金模切工藝，并成為推動疊片工藝普及的關(guān)鍵點之一，恰如“極片模切的一小步，疊片工藝的一大步”。當然，新產(chǎn)品的問世仍需經(jīng)過工業(yè)化驗證，皮秒激光的正極模切方案能否讓各大電池制造商認可，皮秒激光是否能夠真正徹底解決傳統(tǒng)工藝帶給用戶的困擾，讓我們拭目以待。
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