CN105921887A - 一种基于超快激光制造三维结构电池的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于超快激光制造三维结构电池的装置和方法，所述装置包括控制系统和激光系统，所述激光系统用于向电池的电极发射超快激光，所述控制系统用于控制激光系统发射的超快激光在电极上形成预设三维结构或微纳图案。利用超快激光加工，大幅度提高锂电池性能，从而增加锂电池阳极和阴极表面积，改进锂电池电极和电解液接触或打湿度；本发明可以无缝用于现有锂电池生产流程，降低生产成本，提高产量。
Description
技术领域
本发明涉及激光应用工艺领域，更具体的说，是涉及一种基于超快激光制造三维结构电池的装置和方法。
背景技术
锂电池因其较高的性价比成为市场应用最为广泛的电池，尤其是在清洁能源，新能源汽车等应用方面。尽管如此，锂电池存在着一些急需改进的缺陷，比如制造成本高，电池寿命短，安全隐患，充电慢等。
锂电池问题的核心有两个，首先是由于电极材料，电解液的化学特性使得电解液和电极表面的容易接触不良，即电极不能完全被电解液打湿这一问题，使得接触电阻增加，工艺上需要在高温条件下长时间的真空处理，大大增加了制造成本，这一问题也导致电池合格率降低，电池容量下降，寿命简短等不良后果。锂电池的第二个问题是，锂电池的电流方向是阳极到阴极的一维特征导致的问题，诸如锂离子一维扩散，电流密度的不均匀性，功率损失，电极接触电阻增高，锂离子充放电引起的膨胀，进而造成机械应力等。解决这一难题的一个有效方法是采用三维结构的电极，可以增加表面积，并在维持高功率密度的条件下获得大面积储能。通常做法是在硅基板上用刻蚀的方法制作三维结构，这种方法尚不成熟，和现有工艺的还有冲突。另外利用纳米技术制造的三维电极实现了充电速度，储能，寿命上千倍的改进，但是和现有的广泛使用的锂电池生产工艺不同，也存在量产，成本等因素，不适合大规模生产。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述问题，提供一种基于超快激光制造三维结构电池的装置和方法，增加了电池阳极和阴极表面积，改进电池的电极和电解液接触和打湿度，并能够与现有电池生产流程无缝连接，降低了生产成本，提高了电池质量。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于超快激光制造三维结构电池的装置，包括控制系统和激光系统，所述激光系统用于向电池的电极发射超快激光，所述控制系统用于控制激光系统发射的超快激光在电极上形成预设三维结构或微纳图案。
作为优选的，所述激光系统包括超快激光发射器、第一高精度激光扫描器和第一透镜，所述超快激光发射器、第一高精度激光扫描器和第一透镜连接控制系统，所述激光发射器用于发射超快激光，所述第一高精度激光扫描器用于接收超快激光并根据控制系统预设控制超快激光的偏转，所述第一透镜用于对偏转后的超快激光聚焦并投射到电极。
作为优选的，所述激光发射器为飞秒激光发射器。
作为优选的，所述超快激光波长为200nm～1600nm。
作为优选的，所述激光系统还包括声光调制器和反射镜系统，所述声光调制器连接控制系统，所述声光调制器用于控制激光发射器的开关及发出超快激光的重复频率，所述反射镜系统用于将超快激光导入到第一高精度激光扫描器。
作为优选的，所述声光调制器与反射镜系统间还设有分光镜，并设有第二高精度激光扫描器和第二透镜，所述第二高精度激光扫描器和第二透镜连接控制系统，所述分光镜用于将所述超快激光分成两路，其中一路导入所述反射镜系统，另一路导入到第二高精度激光扫描器和第二透镜，并经第二透镜投射到电极。
作为优选的，所述第一高精度激光扫描器和第二高精度激光扫描器都为激光扫描振镜。
作为优选的，所述电极包括电极涂覆层和电极导电背板，所述电极在加工过程中沿水平方向上运动。
一种根据上述装置制造三维电池的方法，包括以下步骤：
S1、通过激光系统发射超快激光，并调整超快激光的重复频率，将超快激光作用到电极上；
S2、控制电极在加工过程中沿水平方向上快速运动；
S3、控制系统根据预设参数，控制超快激光在电极涂覆层上形成三维结构或微纳图案。
作为优选的，，所述超快激光为飞秒激光，其重复频率小于1Mhz。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、利用超快激光加工，大幅度提高锂电池性能；
2、利用超快激光加工表面三维结构，从而增加锂电池阳极和阴极表面积；
3、利用飞秒激光加工表面微纳图案，从而改进锂电池电极和电解液接触或打湿度；
4、超快激光加工系统可以无缝用于现有锂电池生产流程，降低生产成本，提高产量。
附图说明
图1为本发明实施例1的装置结构框图；
图2为本发明实施例1中装置在电极涂覆层加工图案的示意图；
图3为本发明实施例1中装置在电极上加工后的三维效果图；
图4是本发明实施例2的装置结构框图；
图5是本发明实施例2中两路激光刻画图形组合示意图；
图6是本发明实施例3中的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述的一种基于超快激光制造三维结构电池的装置和方法作进一步说明。
以下是本发明所述的一种基于超快激光制造三维结构电池的装置和方法的最佳实例，并不因此限定本发明的保护范围。
实施例1
图1示出了一种基于超快激光制造三维结构电池的装置，包括控制系统和激光系统，所述激光系统用于向电池的电极发射超快激光，所述控制系统用于控制激光系统发射的超快激光在电极上形成预设三维结构或微纳图案。
在本实施例中，所述激光系统包括超快激光发射器、声光调制器AOM、反射镜系统、高精度激光扫描器和透镜，在本实施例当中，所述超快激光发射器为飞秒激光发射器，用于发射飞秒激光，所述高精度激光扫描器为振镜系统，所述超快激光发射器、声光调制器AOM、反射镜系统、振镜系统和透镜分别连接控制系统，本实施例中控制系统采用PC控制。
在本实施例当中，所述声光调制器AOM用来控制飞秒激光发射器的开关及飞秒激光的重复频率，对飞秒激光脉冲序列进行调制；反射镜系统则用于将飞秒激光导入到振镜系统中，透镜则用于将通过振镜系统处理的飞秒激光聚焦到电极表面，本实施例中所述透镜为带有自聚焦功能的大视角的F-theta透镜。
本实施例中通过装置来制造三维锂电池，锂电池电极(阴极，阳极)由电 极涂覆层(即图中电极上黑色部分)和电极导电背板(即图中电极上白色部分)(铜，铝薄膜)组成。电极涂覆层厚度从几十到几百微米，而导电背板在几十微米以下。电极涂覆层在加工过程中以一定速度在水平方向运动，控制系统通过控制飞秒激光器参数、AOM脉冲序列、扫描振镜在电极涂覆层、上形成预先设计的三维结构或微纳图案。图1中的实线表示的是信号连接，箭头代表的是飞秒激光的线路。
图2是经过飞秒激光加工后的三维效果图，表面的三维结构极大的增加了电极的表面积，同时可以让电解液沿着沟槽迅速扩散。飞秒加工能够在材料表面形成更加精细的纳米结构，从而改变电解液和电极的“亲和”特性，进一步改进电解液和电极表面的充分接触。
实施例2
本实施例是基于超快激光制造三维结构电池的装置的另一种实施方式，包括控制系统和激光系统，所述激光系统用于向电池的电极发射超快激光，所述控制系统用于控制激光系统发射的超快激光在电极上形成预设三维结构或微纳图案。
在本实施例中，所述激光系统包括飞秒激光发射器，用于发射飞秒激光，还包括用于控制飞秒激光发射器的开关及飞秒激光的重复频率的声光控制器AOM，通过声光调制器AOM对飞秒激光脉冲序列进行调制，经调制后的飞秒激光通过一分光镜分成两路，其中一路导入反射镜系统，通过反射镜系统反射导入第一高精度激光扫描器和第一透镜并投射到电极，另一路通过第二高精度激光扫描器和第二透镜投射到电极。
在本实施例中，所述第一高精度激光扫描器和第二高精度激光扫描器都为振镜系统，所述第一透镜和第二透镜都为F-theta透镜，预先设计的加工参数分 解成控制信号，控制飞秒激光发射器，声光调制器AOM，两组振镜系统和F-theta透镜在电极涂覆层高速水平运动条件下，可以独立高速地刻画平行的倾斜的沟槽，重叠后可以形成所需的网格结构，如图3所示。
本实施例中的装置的飞秒激光脉冲参数，扫描系统速度，以及透镜系统的设计要满足飞秒加工的，通常飞秒脉冲用300-800飞秒，重复频率小于1Mhz，波长1030nm微米的光源，电极表面光斑能量在1-100J/cm2,根据电极涂覆层的厚度和系统设计要求调整网格间距或周期在10-200微米，光斑可以根据电极宽度以及F-theta透镜设计控制在10微米以下，降低飞秒激光加工导致的电极材料损失。飞秒激光发射器也可以采用更短波长的飞秒脉冲，通过波长转换可以将1030nm光源变成515nm(二倍频)，或者343nm(三倍频)，进一步优化电极表面三维结构，减少线宽，增加深宽比，达到增加表面积的目的。
需要说明的是，本发明中的分光镜不仅限于将飞秒激光分成两束，可以分成多束，对用的同样可设置相应的多组振镜系统+透镜的组合。
实施例3
本发明还提供了一种基于超快激光制造三维电池的方法，采用实施例1或2中所述的装置，包括以下步骤：
S1、通过激光系统发射超快激光，并调整超快激光的重复频率，将超快激光作用到电极上；
S2、控制电极在加工过程中沿水平方向上快速运动；
S3、控制系统根据预设参数，控制超快激光在电极涂覆层上形成三维结构或微纳图案。
作为优选的，，所述超快激光为飞秒激光，其重复频率小于1Mhz。
综上所述，本发明的有益效果在于：
1、利用超快激光加工，大幅度提高锂电池性能；
2、利用超快激光加工表面三维结构，从而增加锂电池阳极和阴极表面积；
3、利用飞秒激光加工表面微纳图案，从而改进锂电池电极和电解液接触或打湿度；
4、超快激光加工系统可以无缝用于现有锂电池生产流程，降低生产成本，提高产量。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于超快激光制造三维结构电池的装置，其特征在于，包括控制系统和激光系统，所述激光系统用于向电池的电极发射超快激光，所述控制系统用于控制激光系统发射的超快激光在电极上形成预设三维结构或微纳图案。
2.根据权利要求1所述的基于超快激光制造三维结构电池的装置，其特征在于，所述激光系统包括超快激光发射器、第一高精度激光扫描器和第一透镜，所述超快激光发射器、第一高精度激光扫描器和第一透镜连接控制系统，所述激光发射器用于发射超快激光，所述第一高精度激光扫描器用于接收超快激光并根据控制系统预设控制超快激光的偏转，所述第一透镜用于对偏转后的超快激光聚焦并投射到电极。
3.根据权利要求2所述的基于超快激光制造三维结构电池的装置，其特征在于，所述激光发射器为飞秒激光发射器。
4.根据权利要求2所述的基于飞秒激光制造三维电池的装置，其特征在于，所述，所述超快激光波长为200nm～1600nm。
5.根据权利要求2所述的基于超快激光制造三维结构电池的装置，其特征在于，所述激光系统还包括声光调制器和反射镜系统，所述声光调制器连接控制系统，所述声光调制器用于控制激光发射器的开关及发出超快激光的重复频率，所述反射镜系统用于将超快激光导入到第一高精度激光扫描器。
6.根据权利要求5所述的基于超快激光制造三维结构电池的装置，其特征在于，所述声光调制器与反射镜系统间还设有分光镜，并设有第二高精度激光扫描器和第二透镜，所述第二高精度激光扫描器和第二透镜连接控制系统，所述分光镜用于将所述超快激光分成两路，其中一路导入所述反射镜系统，另一路导入到第二高精度激光扫描器和第二透镜，并经第二透镜投射到电极。
7.根据权利要求6所述的基于超快激光制造三维结构电池的装置，其特征 在于，所述第一高精度激光扫描器和第二高精度激光扫描器都为激光扫描振镜。
8.根据权利要求6所述的基于超快激光制造三维结构电池的装置，其特征在于，所述电极包括电极涂覆层和电极导电背板，所述电极在加工过程中沿水平方向上运动。
9.一种根据权利要求1至8任一所述的装置制造三维结构电池的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过激光系统发射超快激光，并调整超快激光的重复频率，将超快激光作用到电极上；
S2、控制电极在加工过程中沿水平方向上快速运动；
S3、控制系统根据预设参数，控制超快激光在电极涂覆层上形成三维结构或微纳图案。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述超快激光为飞秒激光，其重复频率小于1Mhz。
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