西双版纳铀侗机械设备有限公司

不久前，困擾行業(yè)許久的正極極片切割工藝有了質(zhì)的突破。東莞市盛雄激光先進(jìn)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，經(jīng)過(guò)一年多市場(chǎng)驗證，已證實(shí)能夠高效、穩定地進(jìn)行動(dòng)力電池正極極片切割，能夠幫助企業(yè)實(shí)現提質(zhì)、降本。同時(shí)，盛雄激光也是目前唯一一家能用激光技術(shù)解決正極極片量產(chǎn)的企業(yè)。

疊片工藝VS卷繞工藝

近幾年，隨著(zhù)新能源市場(chǎng)的火熱，動(dòng)力電池裝機量逐年提升，其設計理念及加工工藝也在不斷改進(jìn)，其中關(guān)于電芯的卷繞工藝、疊片工藝的討論從未停止過(guò)。目前市場(chǎng)上主流的是效率更高、成本更低、應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，容易導致電芯局部過(guò)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優(yōu)勢。此外，疊片工藝可以更好控制電芯良率，在用戶(hù)對新能源車(chē)續航里程越來(lái)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(dòng)力電池頭部廠(chǎng)家均對疊片工藝進(jìn)行研究和生產(chǎn)。

對新能源汽車(chē)的潛在車(chē)主而言，里程焦慮無(wú)疑是影響他們做出購車(chē)選擇的關(guān)鍵因素之一。尤其是充電設施不完善的城市，對長(cháng)續航的電動(dòng)汽車(chē)有著(zhù)更迫切的需求。目前，純電的新能源汽車(chē)官方公布的續航里程普遍在300－500公里，真實(shí)續航視氣候、路況，往往會(huì )在官方公布的基礎上打折。能否提高真正的續航里程，與動(dòng)力電池的能量密度息息相關(guān)，疊片工藝也因此更具競爭力。

然而，由于疊片工藝較為復雜，且有諸多技術(shù)難點(diǎn)需要解決，一定程度上制約了這一工藝的普及。其中一個(gè)關(guān)鍵難點(diǎn)，便是模切和疊片過(guò)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(jìn)一步發(fā)展。

五金模切現狀——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(jìn)行裁切。這種機械工藝發(fā)展歷史悠久，應用相對成熟，但機械咬合帶來(lái)的應力往往會(huì )讓被加工材料存在一些不良表征，如塌角、毛刺等。

為避免出現毛刺，五金模具沖切在調刀時(shí)要根據極片的性質(zhì)和厚度，尋找最合適的側向壓力和刀具重疊量，經(jīng)過(guò)多輪測試才能啟動(dòng)批量加工。更重要的是，五金模具沖切在長(cháng)時(shí)間工作后會(huì )出現刀具磨損及材料粘刀問(wèn)題，引起工藝不穩定，導致極片裁切品質(zhì)變差，最終導致電池良率下降，甚至出現安全隱患。動(dòng)力電池廠(chǎng)商為避免出現隱患，往往每3－5天就會(huì )換一次刀。盡管廠(chǎng)家公布的刀具使用壽命可能是7－10天，或能切100萬(wàn)片，但電池廠(chǎng)為避免成批次出現不良品（不良則需要成批次報廢），往往都會(huì )提前換刀，而這會(huì )帶來(lái)巨大的耗材成本。

除此之外，如前文所說(shuō)，為提高車(chē)輛續航里程，電池廠(chǎng)一直在努力提高電池能量密度。據業(yè)內人士透露，要提升單體能量密度，在現有的化學(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(guò)壓實(shí)密度和極片厚度這兩塊做文章。而壓實(shí)密度提高、極片厚度增加無(wú)疑會(huì )更傷刀具，這意味著(zhù)更換刀具的時(shí)間還要再度縮短。

此外，隨著(zhù)電池尺寸加大，用于進(jìn)行模切的刀具也要做得更大，但刀具變大無(wú)疑會(huì )降低機械運轉的速度，降低裁切效率?？梢哉f(shuō)，長(cháng)期穩定的品質(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，這種傳統工藝將難以適應未來(lái)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(jìn)行極片切割，但由于納秒激光加工后熱影響區及毛刺較大，無(wú)法滿(mǎn)足電池廠(chǎng)商的需求，因此這一工藝未能大規模推廣。但據筆者調研發(fā)現，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(jìn)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(lái)說(shuō)，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及毛刺較大的困局。

可以說(shuō)，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(diǎn)，讓占據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(diǎn)總結如下：

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，需要反復調試。且機械刀具使用時(shí)間長(cháng)后會(huì )出現磨損，導致極片出現毛刺，從而影響整個(gè)批次的電池良率。同時(shí)，為提升單體能量密度，極片的壓實(shí)密度提高、厚度增加也會(huì )加劇裁刀的損耗。

而300W大功率皮秒激光加工品質(zhì)穩定，能夠長(cháng)期穩定工作，即便材料加厚也不會(huì )造成設備損耗。據筆者了解，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(jìn)廠(chǎng)測試，在一年多的試生產(chǎn)過(guò)程中，從常規厚度120μm、160μm，一直切到200μm、220μm、250μm，成品均無(wú)毛刺，均能滿(mǎn)足疊片工藝的要求。據統計，使用300W大功率皮秒激光進(jìn)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(lái)看，300W大功率皮秒激光正極極片制片機每小時(shí)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，而換刀必將導致產(chǎn)線(xiàn)全線(xiàn)停工，換刀后還需重新調試，每次換刀意味著(zhù)幾小時(shí)的停工。全激光高速制片則節約了換刀時(shí)間，綜合效率更勝一籌。

3．柔性化

對動(dòng)力電池廠(chǎng)而言，一條疊片產(chǎn)線(xiàn)往往會(huì )承載不同型號電池的生產(chǎn)任務(wù)。每次換型，都會(huì )為五金模切設備多花費幾天時(shí)間，考慮到有些電池還有沖角需求，將會(huì )進(jìn)一步延長(cháng)換型時(shí)間。

而激光工藝沒(méi)有換型的煩惱。無(wú)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(gè)光路系統，裁斷效率不會(huì )受影響?？梢哉f(shuō)，不論是換型量產(chǎn)，還是小規模試樣，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(chǎng)家節省大量時(shí)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(dòng)作都要導致產(chǎn)線(xiàn)停工，耗費更多工時(shí)。相比之下，皮秒激光解決方案無(wú)其他耗材，后續維護成本極低。

據測算，以590尺寸／160um厚度磷酸鐵鋰正極極片裁切為例，采購皮秒激光設備第一年的成本高于傳統五金設備，但第二年二者投入的成本基本持平，等設備投產(chǎn)到第五年時(shí)，皮秒激光設備的總成本比傳統五金設備的成本還要低700萬(wàn)元！

值得一提的是，盛雄激光這款設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(huì )因國際局勢動(dòng)蕩而存在斷貨風(fēng)險。

長(cháng)久來(lái)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(dòng)疊片工藝普及的關(guān)鍵點(diǎn)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(wèn)世仍需經(jīng)過(guò)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工藝帶給用戶(hù)的困擾，讓我們拭目以待。