極耳是鋰電(dian)池(chi)內部將正負(fu)極集流體(ti)引(yin)出來的(de)金屬(shu)導電(dian)體(ti)。極耳成型是在正負(fu)極集流體(ti)上切出導電(dian)體(ti)的(de)工(gong)藝，是動力電(dian)池(chi)和部分消費電(dian)子電(dian)池(chi)制造過程的(de)關鍵工(gong)藝之一(yi)，一(yi)般作(zuo)為卷繞或者疊片(pian)的(de)前工(gong)序。

       傳統上，極耳成(cheng)(cheng)型(xing)主(zhu)要使用機(ji)(ji)械模(mo)切(qie)工(gong)藝。機(ji)(ji)械模(mo)切(qie)工(gong)藝有模(mo)具損耗(hao)快、換模(mo)時間長、靈活性差(cha)和生產效率(lv)低等局限性，已經越來越不(bu)能滿(man)足鋰電池制(zhi)造的發展要求。由于激(ji)光(guang)(guang)切(qie)割(ge)技術的諸多優點，隨著高功率(lv)、高光(guang)(guang)束(shu)質量納秒激(ji)光(guang)(guang)器、單模(mo)連續光(guang)(guang)纖技術的成(cheng)(cheng)熟，激(ji)光(guang)(guang)極耳切(qie)割(ge)逐漸(jian)成(cheng)(cheng)為極耳成(cheng)(cheng)型(xing)技術的主(zhu)流。

模切

01設(she)備分類(lei)概(gai)述

1.1 極耳成型設備分類

       目(mu)前市場主(zhu)要使用(yong)(yong)的極(ji)(ji)片(pian)(pian)極(ji)(ji)耳(er)成(cheng)型(xing)包括激光極(ji)(ji)耳(er)成(cheng)型(xing)機(ji)、五金(jin)(jin)極(ji)(ji)耳(er)成(cheng)型(xing)機(ji)兩(liang)種類型(xing)。激光極(ji)(ji)耳(er)成(cheng)型(xing)機(ji)采用(yong)(yong)連(lian)續或脈沖式的激光對極(ji)(ji)片(pian)(pian)和箔(bo)材(cai)進行切(qie)割，五金(jin)(jin)極(ji)(ji)耳(er)成(cheng)型(xing)機(ji)采用(yong)(yong)五金(jin)(jin)模具對極(ji)(ji)片(pian)(pian)和箔(bo)材(cai)進行沖切(qie)。

       五金極耳(er)成型機，其主要特點是(shi)用(yong)雙模具切割集(ji)流(liu)體形成導電極耳(er)，同時實現(xian)極耳(er)的(de)(de)變間(jian)距，極片可(ke)以是(shi)連續行走(zou)或間(jian)隙行走(zou)，主要問題是(shi)集(ji)流(liu)體較(jiao)薄，沖(chong)切毛刺很難控制，導致(zhi)電池的(de)(de)自放電大，留下安全隱患(huan)，另外，受模具壽(shou)命的(de)(de)限制導致(zhi)制造成本很高。

       激光極耳(er)成型(xing)機，具有設備運(yun)行效率高、毛刺小且能夠穩定控(kong)制(zhi)、激光編程(cheng)靈(ling)活(huo)、產(chan)品兼(jian)容性強、使(shi)用成本(ben)低等優勢(shi)(shi)，更適合于規模化制(zhi)造(zao)，也是目前鋰(li)電制(zhi)造(zao)廠的(de)主(zhu)流選(xuan)擇。基于安(an)全可(ke)靠為基礎的(de)降本(ben)趨勢(shi)(shi)下，新能源(yuan)汽車(che)行業(ye)對(dui)動力電池(chi)生產(chan)的(de)精度和效率提出(chu)了更高的(de)要求(qiu)。

1.2 五金模切的缺陷

通常五(wu)金模具出現毛刺的原因有以下幾(ji)種(zhong)情(qing)況：

       ①沖裁(cai)間隙過(guo)大(da)、過(guo)小或(huo)不均(jun)勻均(jun)會產(chan)生(sheng)毛刺。

       ②刃口(kou)磨損變鈍或啃(ken)傷(shang)均(jun)會產生毛刺。

       ③沖(chong)裁(cai)(cai)狀(zhuang)態不(bu)當，如加工(gong)件與凸模或凹模接觸不(bu)好，在(zai)(zai)定位相(xiang)對高(gao)度(du)不(bu)當的修邊(bian)沖(chong)孔(kong)時，也(ye)會由于制(zhi)件高(gao)度(du)低于定位相(xiang)對高(gao)度(du)，在(zai)(zai)沖(chong)裁(cai)(cai)過程中制(zhi)件形(xing)狀(zhuang)與刃(ren)口形(xing)狀(zhuang)不(bu)服(fu)帖(tie)而(er)產生毛(mao)刺。

       ④模具在(zai)工作過程中升溫，間隙(xi)變(bian)化導(dao)致(zhi)裁(cai)切極片(pian)產生毛(mao)刺。

       鑒于(yu)五金模切(qie)產生的毛刺(ci)對動力電池的安全性存在較大的隱患，未來主要采(cai)用激光模切(qie)方(fang)式(shi)。

1.3 激光切分類

       激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)種類包括固體激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)、氣體激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)、半導體激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)、光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)、液體激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)、自由電子激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)等。按(an)工作方(fang)式(shi)分(fen)類，可分(fen)為連續激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)和脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)(chong)(chong)激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)。連續激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)可以在較長(chang)(chang)一(yi)段(duan)時(shi)間(jian)內連續輸出，工作穩(wen)定(ding)、熱(re)效應(ying)高。脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)(chong)(chong)激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)以脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)(chong)(chong)形式(shi)輸出，主(zhu)要特點是(shi)峰值功率高、熱(re)效應(ying)小(xiao)；根據脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)(chong)(chong)時(shi)間(jian)長(chang)(chang)度(du)，脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)(chong)(chong)激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)可進一(yi)步(bu)分(fen)為毫(hao)秒(miao)(miao)、微秒(miao)(miao)、納(na)秒(miao)(miao)、皮(pi)秒(miao)(miao)和飛秒(miao)(miao)，一(yi)般而言，脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)(chong)(chong)時(shi)間(jian)越(yue)短，單一(yi)脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)(chong)(chong)能量越(yue)高、脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)(chong)(chong)寬(kuan)度(du)越(yue)窄、加(jia)工精(jing)度(du)越(yue)高。

       依據極(ji)片(pian)切割工藝需求，激(ji)光(guang)模切目前采用光(guang)纖激(ji)光(guang)器，通(tong)過振鏡、場鏡將(jiang)光(guang)束按照設定軌跡進行極(ji)片(pian)切割。

1.4 激光模切發展趨勢

激光(guang)模切將圍繞著以下(xia)幾點進行(xing)提升：

       ①切割效(xiao)率：將從現(xian)有60～90m/min的(de)水(shui)平(ping)繼續提(ti)升，預計在3年內實現(xian)120～180m/min的(de)水(shui)平(ping)。

       ②切(qie)割品質：目前三元正(zheng)極材料(liao)的(de)(de)料(liao)區仍不能使用激光(guang)(guang)(guang)進(jin)(jin)行直接切(qie)割，未來通過新(xin)型激光(guang)(guang)(guang)器類型以及(ji)激光(guang)(guang)(guang)工藝的(de)(de)引(yin)入可(ke)以實現三元正(zheng)極材料(liao)的(de)(de)激光(guang)(guang)(guang)切(qie)割。另外(wai)，熱影響(xiang)區、毛刺、熔珠等切(qie)割品質不良可(ke)通過機械穩(wen)定性和激光(guang)(guang)(guang)工藝的(de)(de)改良進(jin)(jin)行提升(sheng)。

       ③設(she)(she)備穩(wen)(wen)定性(xing)：一方(fang)面(mian)是設(she)(she)備自(zi)身的穩(wen)(wen)定性(xing)，通(tong)過(guo)提升設(she)(she)備運行的稼動率水平，并且優化上下料輔(fu)助時間提升整(zheng)機的OEE水平，同(tong)時提升設(she)(she)備的MTBF。另一方(fang)面(mian)是產品(pin)品(pin)質的一致(zhi)性(xing)，提升產品(pin)的CPK。

       ④智(zhi)能(neng)化(hua)(hua)：實現(xian)單機(ji)智(zhi)能(neng)化(hua)(hua)再到整線智(zhi)能(neng)化(hua)(hua)。將在(zai)線檢測、PLC控(kong)制(zhi)和(he)上(shang)位機(ji)控(kong)制(zhi)集成一體化(hua)(hua)，實現(xian)單機(ji)智(zhi)能(neng)化(hua)(hua)。再通(tong)過接(jie)入工廠(chang)信息化(hua)(hua)系統，基于單機(ji)數(shu)據(ju)采集的(de)優(you)化(hua)(hua)，實現(xian)整線智(zhi)能(neng)化(hua)(hua)水平(ping)。

02設備原理、組(zu)成及關鍵(jian)結構

2.1 激光極耳成型機原理

       目前業內(nei)經(jing)過(guo)多年的(de)發展(zhan)(zhan)，激光模(mo)切技術已經(jing)較為(wei)成熟。下面(mian)的(de)詳細(xi)設備(bei)介(jie)紹將(jiang)從激光極耳成型(xing)機展(zhan)(zhan)開。

       激光切割是利用聚焦后的激光束作為主要熱源的熱切割方法，采用激光束照射到材料表面時釋放能量來使之熔化并蒸發（圖1）。

圖1 激光切割原理示意圖

激光切割的特點包括：

       ①切(qie)割縫隙比較狹窄；

       ②鄰近切邊熱影響區(qu)較小；

       ③局部變形極小(xiao)；

       ④非接觸式切割(ge)，清潔(jie)、安全、無污(wu)染(ran)；

       ⑤與自動(dong)化(hua)設備結合方便，容易實(shi)現制成自動(dong)化(hua)；

 ;      ⑥不(bu)存在割工件的限制，激光(guang)束具有仿形能力(li)；

       ⑦與計算機結合(he)，節(jie)省材料。

       激光切割軌跡路徑如圖2所示。

圖2 激光切割軌(gui)跡路徑示意(yi)圖

激光切割主要工藝參數包括：

       ①光束橫(heng)模：光束的(de)模式越(yue)低，聚焦后的(de)光斑尺寸越(yue)小，功率(lv)密度(du)和(he)(he)能量(liang)密度(du)越(yue)大，切(qie)口越(yue)窄(zhai)，切(qie)割效率(lv)和(he)(he)切(qie)割質量(liang)越(yue)高。

       ②激光束(shu)的偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)性：像任(ren)何(he)類型電磁波傳(chuan)輸一樣，激光束(shu)也具有相(xiang)互(hu)成90°并與光束(shu)運行(xing)方(fang)向垂(chui)直(zhi)的電、磁分矢(shi)量，在光學領域把電矢(shi)量作(zuo)為激光束(shu)的偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)方(fang)向。當切割(ge)(ge)(ge)方(fang)向與偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)方(fang)向平行(xing)時，切割(ge)(ge)(ge)前沿對激光的吸(xi)收(shou)最高，所(suo)以(yi)切縫窄，切口垂(chui)直(zhi)度和粗糙度低，切割(ge)(ge)(ge)速度快。

       ③激(ji)光(guang)(guang)功(gong)(gong)(gong)(gong)率：激(ji)光(guang)(guang)切(qie)割時，要(yao)求激(ji)光(guang)(guang)器輸出的(de)光(guang)(guang)束經聚焦后的(de)光(guang)(guang)斑直徑最(zui)(zui)小，功(gong)(gong)(gong)(gong)率密度最(zui)(zui)高。激(ji)光(guang)(guang)切(qie)割所(suo)需(xu)要(yao)的(de)激(ji)光(guang)(guang)功(gong)(gong)(gong)(gong)率主要(yao)取決于切(qie)割類型以(yi)及被切(qie)割材料的(de)性質。氣化切(qie)割所(suo)需(xu)要(yao)的(de)激(ji)光(guang)(guang)功(gong)(gong)(gong)(gong)率最(zui)(zui)大，熔化切(qie)割次之(zhi)，氧氣助熔切(qie)割最(zui)(zui)小。

       平均功(gong)率計算公式：平均功(gong)率=單(dan)脈沖能量(liang)×重復頻(pin)率

       峰(feng)值(zhi)功率計算公式：峰(feng)值(zhi)功率=單脈沖能量／脈寬

       ④焦(jiao)點位(wei)置：焦(jiao)平(ping)面位(wei)于工件上方(fang)為正離(li)(li)(li)焦(jiao)，位(wei)于工件下方(fang)為負(fu)(fu)離(li)(li)(li)焦(jiao)。按幾何光學(xue)理(li)論，當(dang)正負(fu)(fu)離(li)(li)(li)焦(jiao)平(ping)面與加工面距離(li)(li)(li)相(xiang)等時，所對應的平(ping)面上功率密度近似相(xiang)同。

       ⑤激光(guang)焦(jiao)深：當(dang)聚(ju)焦(jiao)系(xi)統的(de)(de)焦(jiao)深對(dui)激光(guang)切割(ge)(ge)質量有重要影響。如果(guo)聚(ju)焦(jiao)光(guang)束的(de)(de)焦(jiao)深短，聚(ju)焦(jiao)角較(jiao)(jiao)大(da)，光(guang)斑尺寸在焦(jiao)點附近的(de)(de)變化(hua)(hua)比較(jiao)(jiao)大(da)，不同的(de)(de)焦(jiao)點位置將使(shi)用在材料(liao)表(biao)面(mian)的(de)(de)激光(guang)功率(lv)密度(du)變化(hua)(hua)很大(da)，對(dui)切割(ge)(ge)會產生很大(da)的(de)(de)影響。進行激光(guang)切割(ge)(ge)時，焦(jiao)點位置位于(yu)工件表(biao)面(mian)或略低于(yu)工件表(biao)面(mian)，可以(yi)獲得(de)最大(da)的(de)(de)切割(ge)(ge)深度(du)和較(jiao)(jiao)小的(de)(de)切割(ge)(ge)寬度(du)。

當(dang)焦深聚焦深度大(da)，光斑(ban)直徑增大(da)，功率密度隨之減小。聚焦深度Δ可按下式估算：

       Δ=±r2/λ

       式中 r——光束的聚(ju)焦(jiao)光斑半徑；

       λ——激(ji)光波長。

       激光極耳成型制造過程列于表1。

2.2 設備主要組成

       激光模切機布局如圖3所示。

圖3 激光模切機(ji)布局示意圖

       激光模切機主要包含放卷模塊（含糾偏）、張力控制模塊、模切前過程糾偏、激光切割、牽引主驅模塊、風刀除塵、CCD檢測、分切前過程糾偏、極片分切、極片除塵、不良貼標、收卷模塊和廢料收集機等。其動作流程如圖4所示。

圖4 激光(guang)模切機動作流程

關鍵結構如下：

①收放卷(juan)模塊：由收放卷(juan)機構、接帶平(ping)臺和放卷(juan)糾偏等組成(cheng)。主(zhu)要參(can)數(shu)包括最大(da)卷(juan)徑、最大(da)承(cheng)重、卷(juan)筒尺(chi)寸等。具備輔助(zhu)上料、伺服放卷(juan)、放卷(juan)后展平(ping)、卷(juan)徑檢(jian)測等功能。

②張力控制模(mo)塊：由(you)張力檢測傳感器與張力擺桿組(zu)件等組(zu)成。主(zhu)要參數包括(kuo)張力控制精度等。具備(bei)放(fang)卷張力閉環控制、張力大(da)小實(shi)時(shi)顯示(shi)功能。

③過(guo)程糾(jiu)偏(pian)模塊：由傳感器(qi)、執行機構和絲桿等組成。主要(yao)參數包括(kuo)糾(jiu)偏(pian)精(jing)度。糾(jiu)偏(pian)自(zi)動(dong)調(diao)整與CCD檢(jian)測反饋形成閉環控制。

④激光切割模塊：由激光切割組件、除塵裝置、位置調整組件等組成。主要參數包括激光器功率、激光器功率穩定性、極耳間距精度等。具備“一出一”和“一出二”兩種工作方式（圖5）。

圖5 激(ji)光切割工藝(yi)

       ⑤牽引主驅(qu)模塊：由主動輥、橡(xiang)膠輥和伺服(fu)電機等組成。具備(bei)安全保護裝置(zhi)，同時完成料帶驅(qu)動的功(gong)能。

       ⑥極片分切模(mo)塊：由分切刀(dao)模(mo)、負壓(ya)(ya)除塵(chen)(chen)等組成。具備刀(dao)片潤滑、廢料自動收集、分切刀(dao)負壓(ya)(ya)抽塵(chen)(chen)功能(neng)。

       ⑦除(chu)塵(chen)(chen)(chen)系統(tong)：由激光(guang)切(qie)割處除(chu)塵(chen)(chen)(chen)、風(feng)刀除(chu)塵(chen)(chen)(chen)、毛刷除(chu)塵(chen)(chen)(chen)、磁(ci)棒除(chu)塵(chen)(chen)(chen)、防(fang)護擋板、風(feng)機過濾器(FFU)和(he)除(chu)塵(chen)(chen)(chen)管道(dao)組成。主(zhu)要參數包括風(feng)刀風(feng)速(su)、導向環角(jiao)度(du)、負壓大小等(deng)。具(ju)備(bei)對極耳、切(qie)割直邊和(he)極片表面進行(xing)粉(fen)塵(chen)(chen)(chen)清理的功能。

       ⑧視覺檢測系統：由相機、光源、工控機、不(bu)良貼(tie)(tie)標等(deng)(deng)組成。主要(yao)參數包括成像效果、檢測精度(du)、不(bu)良貼(tie)(tie)標位置精度(du)等(deng)(deng)。具備極片表面缺(que)陷檢測、切(qie)割與分(fen)切(qie)尺寸(cun)檢測、極耳(er)狀(zhuang)態及尺寸(cun)檢測的功能。

       ⑨控(kong)制系(xi)統：由電(dian)氣(qi)控(kong)制系(xi)統和激光控(kong)制系(xi)統組成。具(ju)備可視化設計、參(can)數化設計、分級權限管(guan)理(li)，實現激光切割軌跡控(kong)制調整、整體(ti)功能(neng)控(kong)制。

       ⑩其他(ta)部分：包括潤滑系統、安(an)全功能(neng)、粉塵控制等。

03設(she)備的(de)選擇應(ying)用案例(li)

3.1 明確來料工藝

在(zai)選擇具體(ti)的激光(guang)模切設備之前，需要(yao)先對來料情(qing)況和制(zhi)造工藝進行確認。

     ;  ①確(que)認來料的材質：三元材料、磷酸(suan)鐵(tie)鋰(li)、鈦酸(suan)鋰(li)等。

       ②來料尺寸(cun)規格：涂覆(fu)幅(fu)寬、留白(bai)寬度(du)、箔材厚度(du)、涂層厚度(du)、單側(ce)／雙側(ce)極耳(er)等。

3.2 明確產品規格

       ①確認產品收(shou)(shou)集規格：卷料(liao)收(shou)(shou)料(liao)或片料(liao)收(shou)(shou)料(liao)。

       ②切(qie)(qie)割工藝：等間(jian)距(ju)切(qie)(qie)割、變間(jian)距(ju)切(qie)(qie)割、極耳變高(gao)度切(qie)(qie)割、是否需(xu)要切(qie)(qie)割V/R角。

       ③切割(ge)規(gui)格：模切寬度、極(ji)耳(er)(er)高度、極(ji)耳(er)(er)間距、極(ji)耳(er)(er)寬度、標記(ji)(mark)位置、分切寬度、熱(re)影響區(qu)、毛(mao)刺等。

3.3 明確設備配置

       ①功(gong)能(neng)(neng)配置：依(yi)據來料(liao)工(gong)藝及產品規格來確(que)認設備整(zheng)體配置要(yao)求(qiu)(qiu)，目前主流的收(shou)放(fang)(fang)卷配置包括單(dan)放(fang)(fang)單(dan)收(shou)、單(dan)放(fang)(fang)雙(shuang)收(shou)、雙(shuang)放(fang)(fang)雙(shuang)收(shou)或雙(shuang)放(fang)(fang)四(si)收(shou)。再(zai)確(que)認功(gong)能(neng)(neng)需(xu)求(qiu)(qiu)，功(gong)能(neng)(neng)需(xu)求(qiu)(qiu)包括標配功(gong)能(neng)(neng)和(he)選配功(gong)能(neng)(neng)。

       ②制定機械、電氣、信息系統通用規范，并執行。