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(jī)，經(jīng)過一年多市場驗(yàn)證，已證實(shí)能夠高效、穩(wěn)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(xiàn)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，隨著新能源市場的火熱，動(dòng)力電池裝機(jī)量逐年提升，其設(shè)計(jì)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。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(xiǎn)。

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(duì)新能源車?yán)m(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(dòng)力電池頭部廠家均對(duì)疊片工藝進(jìn)行研究和生產(chǎn)。

對(duì)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(duì)長續(xù)航的電動(dòng)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(shí)續(xù)航視氣候、路況，往往會(huì)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(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(fù)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(fèi)，并制約疊片工藝的進(jìn)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(duì)極片進(jìn)行裁切。這種機(jī)械工藝發(fā)展歷史悠久，應(yīng)用相對(duì)成熟，但機(jī)械咬合帶來的應(yīng)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(xiàn)毛刺，五金模具沖切在調(diào)刀時(shí)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(dòng)批量加工。更重要的是，五金模具沖切在長時(shí)間工作后會(huì)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(dòng)力電池廠商為避免出現(xiàn)隱患，往往每3－5天就會(huì)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(bào)廢），往往都會(huì)提前換刀，而這會(huì)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(duì)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(shí)密度和極片厚度這兩塊做文章。而壓實(shí)密度提高、極片厚度增加無疑會(huì)更傷刀具，這意味著更換刀具的時(shí)間還要再度縮短。

此外，隨著電池尺寸加大，用于進(jìn)行模切的刀具也要做得更大，但刀具變大無疑會(huì)降低機(jī)械運(yùn)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(jìn)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(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(jī)。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(diǎn)，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(diǎn)總結(jié)如下：

1．品質(zhì)及良率

前文提到，五金模切是利用機(jī)械咬合的原理，切角易存在缺陷，需要反復(fù)調(diào)試。且機(jī)械刀具使用時(shí)間長后會(huì)出現(xiàn)磨損，導(dǎo)致極片出現(xiàn)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(wěn)定，能夠長期穩(wěn)定工作，即便材料加厚也不會(huì)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(jī)去年就已完成研發(fā)并進(jìn)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(jì)，使用300W大功率皮秒激光進(jìn)行極片模切良率達(dá)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(jī)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(jī)每小時(shí)制片量與五金模切制片機(jī)基本處于同一水平，但考慮到五金機(jī)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(shí)的停工。全激光高速制片則節(jié)約了換刀時(shí)間，綜合效率更勝一籌。

3．柔性化

對(duì)動(dòng)力電池廠而言，一條疊片產(chǎn)線往往會(huì)承載不同型號(hào)電池的生產(chǎn)任務(wù)。每次換型，都會(huì)為五金模切設(shè)備多花費(fèi)幾天時(shí)間，考慮到有些電池還有沖角需求，將會(huì)進(jìn)一步延長換型時(shí)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(bǔ)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(duì)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(tǒng)，裁斷效率不會(huì)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(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(hù)動(dòng)作都要導(dǎo)致產(chǎn)線停工，耗費(fèi)更多工時(shí)。相比之下，皮秒激光解決方案無其他耗材，后續(xù)維護(hù)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(shí)，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(huì)因國際局勢動(dòng)蕩而存在斷貨風(fēng)險(xiǎn)。

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(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(dāng)然，新產(chǎn)品的問世仍需經(jīng)過工業(yè)化驗(yàn)證，皮秒激光的正極模切方案能否讓各大電池制造商認(rèn)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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