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    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

    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

    • 分類:工藝應用
    • 作者:
    • 來源:
    • 發布時間:2022-04-16
    • 訪問量:0

    【概要描述】目前全球新能源汽車銷量火爆,帶動了動力電池需求爆發式增長。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年呈現較快增長狀態,復合增速分別達38.71%與48.66%。

    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

    【概要描述】目前全球新能源汽車銷量火爆,帶動了動力電池需求爆發式增長。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年呈現較快增長狀態,復合增速分別達38.71%與48.66%。

    • 分類:工藝應用
    • 作者:
    • 來源:
    • 發布時間:2022-04-16
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    詳情

     

    目前全球新能源汽車銷量火爆,帶動了動力電池需求爆發式增長。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年呈現較快增長狀態,復合增速分別達38.71%與48.66%。

     

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    至2025年動力電池需求456GWh相比2020年63GWh有較大的增長空間。鋰電池生產廠商紛紛擴大產能,高速產線是必然的趨勢。目前一條線20GWh的生產效率都難以達到,而限制生產效率的短板在于極片切割環節。例如,單臺設備(200W)極片切割速度90m/min,極限產能也只有10GWh(24h全年連續化生產)。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“服務精密制造的先進光源供應商”為定位的高科技企業,提供20W-500W全系列可調納秒脈沖MOPA激光器以及各類高性能新型定制產品。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。

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    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,發現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,研究還發現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為余熱增大了熱影響區,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,以獲得高速且品質較好的效果。

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    不同脈寬頻率下最大速度切割測試

     

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    銅箔切割品質效果圖

     

    石墨切割

    在對石墨進行切割測試時可發現其工藝窗口區間較大,在保證切斷的前提下其端面均不會出現熔珠毛刺的現象,但過大的激光能量會導致平面漏金屬和熱影響區較大。合理控制激光能量,降低熱影響區和漏金屬是保證石墨切割品質優異的關鍵。

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    不同脈寬不同頻率下最高速度切割測試

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    石墨切割品質效果圖

     

    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和效果的一致性。其中切割鋁箔及陶瓷層品質好壞是衡量一套激光設備性能及工藝可靠的標尺。在對鋁箔進行切割測試時,其表現主要為平面毛刺和飛濺,合理控制激光工藝參數,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定的切割效果。

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    不同脈寬不同頻率下最高速度切割測試

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    鋁箔切割品質效果圖

    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激光器經過在客戶現場的調試并不斷改進升級,最終切割品質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在平面毛刺和端面毛刺超標,經過大量的驗證及分析,得到了較優的工藝窗口且滿足切割品質要求。

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    不同脈寬不同頻率下最高速度切割測試

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    陶瓷層切割品質效果圖

     

    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,在切割不同區域時要求激光器使用不同的工藝參數,此激光器可在不斷光的前提下進行高速參數切換(功率、頻率切換時長t<10us)。

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    激光飛行切割軌跡

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    變功變頻參數切換

    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,均能達到較優的切割效果且滿足10GWh的生產產能(70m/min)。對于動力電池廠家20GWh的高速產線,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,即高光束質量(M2 1.6),16種脈寬(10~500ns)選擇,重復頻率高達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。

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    型號 YFPN-500-CUT
    平均功率W ≥500
    最大單脈沖能量mJ 2
    頻率范圍kHz 1~4000
    脈沖寬度ns 10~500
    光束質量M2 <1.8
    輸出功率不穩定度% ≤3

     

    456 YFPN-500-CUT在出廠前,我們進行了長達200小時的功率穩定性測試,其功率波動低于2%。

     

    最高功率 529.00 W
    最低功率 520.0 W
    最大功率波動 8.99 W
    測試時長 12000 分鐘
    環境溫度 35
    最大功率波動百分比 1.7 %


    經測試,YFPN-500-CUT用于極片切割,產線速度可達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線的生產需求。

    武漢光至科技有限公司是一家定位于服務精密制造的先進光源供應商。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。

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