CN112077439A - 一种激光多重频优化组合加工储能器件三维集流体的方法 - Google Patents

一种激光多重频优化组合加工储能器件三维集流体的方法 Download PDF

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Abstract

一种激光多重频优化组合加工储能器件三维集流体的方法，先对集流体进行预处理，然后搭建飞秒激光系统，利用Scan Master Designer软件设计需要加工的微孔阵列图案，并将图案划分成S1‑S7七个加工区域，每个加工区域设置不同的激光重频和激光脉冲延时，S1‑S7所对应的重频参数依次由高到低；本发明利用七个加工区域组合、复制与拼接，实现加工区域面积成倍数增加，再配合集流体收卷装置就能实现任意大面积三维集流体的加工；通过计算机对飞秒激光器多重频优化组合，振镜控制飞秒激光做预设的运动，激光扫描后即可实现集流体的加工，工序简易，能够在保证加工质量的前提下，显著提高加工效率，大幅促进三维集流体批量化生产。

Description

一种激光多重频优化组合加工储能器件三维集流体的方法
技术领域
本发明属于激光微细加工技术领域，特别涉及一种激光多重频优化组合加工储能器件(锂电池、钠电池、超级电容器等)三维集流体的方法。
背景技术
在能源危机和环境污染的双重压力下，世界各国都在寻求一种高效的绿色环保的储能方式，锂电池凭借其无记忆效应、能量密度大、循环性能好、自放电小等良好性能，在电子、通讯、能源、交通、航天、军事、互联网等领域得到了广泛应用。钠盐原材料储量丰富，价格低廉，钠离子电池无过放电特性，允许钠离子电池放电到零伏。钠离子电池能量密度大于100Wh/kg，可与磷酸铁锂电池相媲美，但是其成本优势明显，有望在大规模储能中取代传统铅酸电池。
超级电容器是一种绿色能源，兼具高能量密度和高功率密度，使用温度范围广，寿命长，免维护，可以在很小的体积下达到法拉级的电容量。随着科技的发展，人们对储能器件的性能提出了更高的要求：更高的容量、更高的能量密度和更长的使用寿命，以扩大在电动汽车和储能电站等领域中的应用。
集流体是锂/钠电池以及超级电容器的重要组成部分，集流体不仅能承载活性物质，而且还可以将电极活性物质产生的电流汇集并输出，有利于降低内阻，提高储能效率以及储能性能。集流体的性能影响着储能器件的物理、化学、电学性能，对集流体的修饰改造为解决高容量储能材料容量衰减快、循环性能差的难题提供了一种新的技术途径。
目前，利用激光器加工集流体还主要集中在激光打孔和织构等加工方法上，加工的集流体的厚度多数较厚，且此类较厚的集流体仅为实验探究，尚不能应用于实际集流体的生产；激光器大面积加工仍存在加工质量差和加工效率低的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种激光多重频优化组合加工储能器件三维集流体的方法，从而在保证加工质量的前提下，大大提高了加工效率，实现大面积加工，为三维集流体大批量化生产提供技术支撑。
为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
一种激光多重频优化组合加工储能器件三维集流体的方法，包括以下步骤：
1)对集流体进行预处理，先在丙酮溶液中超声清洗5min，再在去离子水中超声清洗5min，最后在无水乙醇中超声清洗5min；
2)搭建飞秒激光系统，飞秒激光系统包括飞秒激光器1，飞秒激光器1输出激光经第一反射镜2、第二反射镜3、小孔光阑11，经再经过扩束镜4，进入振镜5，再经过场镜6聚焦，聚焦后的光线照射在固定在x、y、z可调节移动载物台8上的集流体7上，飞秒激光器1、振镜的控制单元9和计算机10连接；
3)利用计算机10调节飞秒激光器1输出激光波长为1030nm，重频为1kHz-200kHz，脉宽为240fs，单脉冲能量30-100μJ；
4)利用计算机10通过振镜的控制单元9控制振镜6进而控制激光的脉冲延迟时间和运动轨迹，脉冲延迟时间为1ms-10000ms，通过脉冲延时与激光器重频，计算得到相应的脉冲数；
5)利用计算机10控制飞秒激光器1的参数；同时，利用软件Scan Master Designer设计需要加工的微孔阵列图案，并将图案划分成S1-S7七个加工区域：S1为矩形，位于集流体的左上角；S2为L形，面积大于S1，位于集流体的左上角并与S1相邻；S3为L形，面积大于S2，位于集流体的左上角并与S2相邻；S4为L形，面积大于S3，位于集流体的中间并与S3相邻；S5为L形，面积小于S4大于S1，位于集流体的中间并与S4相邻；S6为L形，面积大于S1小于S4，位于集流体的左下侧并与S5相邻；S7为L形，面积大于S1小于S4，位于集流体的右上角并与S6、S5、S4、S3、S2相邻；每个加工区域设置不同的激光重频和脉冲延时：保证光斑重叠率一定的情况下，即重频与脉冲延时的乘积一定的情况下，S1-S7对应的重频参数200kHz-10kHz依次由高到低，而脉冲延时则依次增加；
6)设置完成后，点击运行，开始对集流体的加工。
所述的步骤5)中微孔阵列图案，在4平方厘米以上的大面积加工时，利用ScanMaster Designer软件进行S1-S7七个加工区域组合、复制与拼接，实现加工区域面积成倍数增加，再配合集流体收卷装置就能保证任意大面积加工。
所述的一种激光多重频优化组合加工储能器件三维集流体的方法，在光斑重叠率一定的条件下，通过计算机10对飞秒激光器1多重频优化组合，通过振镜6控制飞秒激光器1输出的激光做预设的运动，激光扫描后即实现集流体的加工，工序简易，能够在保证加工质量的前提下，显著提高加工效率，大幅促进三维集流体的批量化生产。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明利用飞秒激光器1在商用的集流体上加工出三维微孔结构集流体，光斑重叠率在激光制孔时可以换算成激光脉冲数，脉冲数为激光重频与激光延迟时间的乘积；本发明通过对加工区域进行多个区域的划分，每个区域对应不同的重频，利用不同重频的优化组合，实现高重频下快速加工，再达到热累积损坏集流体之前，通过利用临近区域降低重频的方法，利用低重频热累积较小的优势，避免集流体的损坏；通过依次降低相邻区域的重频的方法，避免高重频快速加工下集流体的破坏，又可以解决低重频加工效率低的问题；同时通过控制激光器参数设置，对加工集流体幅面进行不同区域划分加工，通过参数优化，可以实现加工圆孔出、入口直径一致性良好，集流体整体性能良好的优化结果。飞秒激光多重频优化组合，在保证加工质量的前提下，大大提高加工效率，为三维集流体批量化生产提供技术支撑。
此外，本发明在激光参数设置好后，利用计算机10控制飞秒激光器1和振镜6就可以实现三维集流体的大面积高效加工，操作简单，质量可靠。
附图说明
图1为本发明的飞秒激光系统示意图。
图2为光斑重叠率一定时不同重频下加工的三维集流体SEM图。
图3为本发明S1-S7加工区域分布图。
图4为本发明大面积区域分布图。
图5为本发明实施例1加工的大面积铜箔的集流体SEM图。
图6为本发明实施例2加工的大面积铝箔的集流体SEM图。
具体实施方式
以下结和附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1，一种激光多重频优化组合加工储能器件三维集流体的方法，包括以下步骤：
1)对铜箔的集流体进行预处理，先在丙酮溶液中超声清洗5min，再在去离子水中超声清洗5min，最后在无水乙醇中超声清洗5min；
2)搭建飞秒激光系统，参照图1，飞秒激光系统包括飞秒激光器1，飞秒激光器1输出激光经第一反射镜2、第二反射镜3、小孔光阑11，经再经过扩束镜4，进入振镜5，再经过场镜6聚焦，聚焦后的光线照射在固定在x、y、z可调节移动载物台8上的集流体7上，飞秒激光器1、振镜的控制单元9和计算机10连接；
3)利用计算机10调节飞秒激光器1输出激光波长为1030nm，重频为2kHz-200kHz，脉宽为240fs，单脉冲能量30-100μJ；
4)利用计算机10通过振镜的控制单元9控制振镜6进而控制激光的脉冲延迟时间和运动轨迹，脉冲延迟时间为1ms-10000ms，通过脉冲延时与激光器重频，可以计算得到相应的脉冲数；
5)利用计算机10控制飞秒激光器1的参数；同时，利用软件Scan Master Designer设计需要加工的微孔阵列图案，并将图案划分成S1-S7七个加工区域：如图3、图4所示，S1为矩形，位于集流体的左上角；S2为L形，面积为S1的4倍，位于集流体的左上角并与S1相邻；S3为L形，面积为S1的6倍，位于集流体的左上角并与S2相邻；S4为L形，面积为S1的6倍，位于集流体的中间并与S3相邻；S5为L形，面积为S1的1.5倍，位于集流体的中间并与S4相邻；S6为L形，面积为S1的2倍，位于集流体的左下侧并与S5相邻；S7为L形，面积为S1的2倍，位于集流体的右上角并与S6、S5、S4、S3、S2相邻，每个加工区域设置不同的激光重频和脉冲延时：保证光斑重叠率一定的情况下，即重频与脉冲延时的乘积一定的情况下，S1-S7对应的重频参数依次由高到低，而脉冲延时则一次增加，具体如下：每个加工区域设置不同的激光重频和脉冲延时，S1-S7对应的重频参数依次由高到低；S1重频为200kHz，单孔脉冲延时1.2ms；S2重频为150kHz，单孔脉冲延时1.6ms；S3重频为100kHz，单孔脉冲延时2.4ms；S4重频为75kHz，单孔脉冲延时3.6ms；S5重频为66kHz，单孔脉冲延时3.63ms；S6重频为40kHz，单孔脉冲延时6ms；S7重频为20kHz，单孔脉冲延时12ms；
6)设置完成后，点击运行，开始对集流体的加工。
本实施例的效果：本实施例得到的铜箔的三维集流体的结果图如图5所示；其中a为入口，b为出口，避免了图2中(20-200kHz下)集流体破损的严重的问题，同时在加工时间方面，本实施例所用时间为重频为4kHz加工所用加工时间的1/18.07，本实施例所用时间为重频为2kHz加工所用加工时间的1/36.14，加工效率分别提升了18.07倍和36.14倍；与传统激光加工铜箔的三维集流体的方法相比，本实施例大大提升了加工效率，具有极大的经济效益和应用前景。
本实施例提升了加工效率，微孔质量良好，一致性很好。利用飞秒激光多重频优化组合的方法，不仅可以解决高重频无法加工的问题以及低重频加工效率低的问题，还可以高效地获得微孔结构一致性较好的群孔。所得结构具有直径为42微米的微孔，微孔出口直径为35微米，经计算分析不同重频下微孔尺寸最大误差不超过5.5％。通过图5可以观察到加工质量高、一致性好的大面积铜箔的三维多孔集流体。
实施例2：一种激光多重频优化组合加工储能器件三维集流体的方法，包括以下步骤：
1)对铝箔的集流体进行预处理，先在丙酮溶液中超声清洗5min，再在去离子水中超声清洗5min，最后在无水乙醇中超声清洗5min；
2)搭建飞秒激光系统，参照图1，飞秒激光系统包括飞秒激光器1，飞秒激光器1输出激光经第一反射镜2、第二反射镜3、小孔光阑11，经再经过扩束镜4，进入振镜5，再经过场镜6聚焦，聚焦后的光线照射在固定在x、y、z可调节移动载物台8上的集流体7上，飞秒激光器1、振镜的控制单元9和计算机10连接；
3)利用计算机10调节飞秒激光器1输出激光波长为1030nm，重频为2kHz-200kHz，脉宽为240fs，单脉冲能量30-100μJ；
4)利用计算机10通过振镜的控制单元9控制振镜6进而控制激光的脉冲延迟时间和运动轨迹，脉冲延迟时间为1ms-10000ms，通过脉冲延时与激光器重频，可以计算得到相应的脉冲数；
5)利用计算机10控制飞秒激光器1的参数；同时，利用软件Scan Master Designer设计需要加工的微孔阵列图案，并将图案划分成S1-S7七个加工区域：如图3、图4所示，S1为矩形，位于集流体的左上角；S2为L形，面积为S1的2倍，位于集流体的左上角并与S1相邻；S3为L形，面积为S1的4倍，位于集流体的左上角并与S2相邻；S4为L形，面积为S1的6倍，位于集流体的中间并与S3相邻；S5为L形，面积为S1的6倍，位于集流体的中间并与S4相邻；S6为L形，面积为S1的2倍，位于集流体的左下侧并与S5相邻；S7为L形，面积为S1的1.5倍，位于集流体的右上角并与S6、S5、S4、S3、S2相邻，每个加工区域设置不同的激光重频和脉冲延时：保证光斑重叠率一定的情况下，即重频与脉冲延时的乘积一定的情况下，S1-S7对应的重频参数依次由高到低，而脉冲延时则一次增加，具体如下：每个加工区域设置不同的激光重频和脉冲延时，S1-S7对应的重频参数依次由高到低；S1重频为200kHz，单孔脉冲延时1.5ms；S2重频为150kHz，单孔脉冲延时2ms；S3重频为100kHz，单孔脉冲延时3ms；S4重频为75kHz，单孔脉冲延时4.01ms；S5重频为66kHz，单孔脉冲延时4.55ms；S6重频为40kHz，单孔脉冲延时7.5ms；S7重频为20kHz，单孔脉冲延时15ms；
6)设置完成后，点击运行，开始对集流体的加工。
本实施例的效果：本实施例得到的铝箔的三维集流体的结果图如图6所示；其中a为入口，b为出口，避免了图2中(20-200kHz下)集流体破损的严重的问题，同时在加工时间方面，本实施例所用时间为重频为4kHz加工所用加工时间的1/15.72，本实施例所用时间为重频为2kHz加工所用加工时间的1/31.43，加工效率提升了31.43倍；与传统激光加工铝箔的三维集流体的方法相比，本实施例在保证加工质量的情况下，大大提升了加工效率，具有极大的经济效益和应用前景。
本实施例利用飞秒激光多重频优化组合的方法，不仅可以解决高重频无法加工的问题和低重频加工效率低的问题，还可以高效率地获得微孔结构一致性较好的群孔。所得铝箔的集流体结构具有直径为54.86微米的微孔，微孔出口直径为43.97微米，经计算分析不同重频下微孔尺寸最大误差不超过5.97％。通过图6可以观察到加工质量高、一致性好的大面积三维多孔集流体。
上述实施例仅为例举，不表示对本发明范围的限定。

Claims (5)

1.一种激光多重频优化组合加工储能器件三维集流体的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对集流体进行预处理，先在丙酮溶液中超声清洗5min，再在去离子水中超声清洗5min，最后在无水乙醇中超声清洗5min；
2)搭建飞秒激光系统，飞秒激光系统包括飞秒激光器(1)，飞秒激光器(1)输出激光经第一反射镜(2)、第二反射镜(3)、小孔光阑(11)，经再经过扩束镜(4)，进入振镜(5)，再经过场镜(6)聚焦，聚焦后的光线照射在固定在x、y、z可调节移动载物台(8)上的集流体(7)上，飞秒激光器(1)、振镜的控制单元(9)和计算机(10)连接；
3)利用计算机(10)调节飞秒激光器(1)输出激光波长为1030nm，重频为1kHz-200kHz，脉宽为240fs，单脉冲能量30-100μJ；
4)利用计算机(10)通过振镜的控制单元(9)控制振镜(6)进而控制激光的脉冲延迟时间和运动轨迹，脉冲延迟时间为1ms-10000ms，通过脉冲延时与激光器重频，计算得到相应的脉冲数；
5)利用计算机(10)控制飞秒激光器(1)的参数；同时，利用软件Scan Master Designer设计需要加工的微孔阵列图案，并将图案划分成S1-S7七个加工区域：S1为矩形，位于集流体的左上角；S2为L形，面积大于S1，位于集流体的左上角并与S1相邻；S3为L形，面积大于S2，位于集流体的左上角并与S2相邻；S4为L形，面积大于S3，位于集流体的中间并与S3相邻；S5为L形，面积小于S4大于S1，位于集流体的中间并与S4相邻；S6为L形，面积大于S1小于S4，位于集流体的左下侧并与S5相邻；S7为L形，面积大于S1小于S4，位于集流体的右上角并与S6、S5、S4、S3、S2相邻；每个加工区域设置不同的激光重频和脉冲延时：保证光斑重叠率一定的情况下，即重频与脉冲延时的乘积一定的情况下，S1-S7对应的重频参数200kHz-10kHz依次由高到低，而脉冲延时则依次增加；
6)设置完成后，点击运行，开始对集流体的加工。
2.根据权利要求1所述的一种激光多重频优化组合加工储能器件三维集流体的方法，其特征在于：所述的步骤5)中微孔阵列图案，在4平方厘米以上的大面积加工时，利用ScanMaster Designer软件进行S1-S7七个加工区域组合、复制与拼接，实现加工区域面积成倍数增加，再配合集流体收卷装置就能保证任意大面积加工。
3.根据权利要求1所述的一种激光多重频优化组合加工储能器件三维集流体的方法，其特征在于：在光斑重叠率一定的条件下，通过计算机(10)对飞秒激光器(1)多重频优化组合，通过振镜(6)控制飞秒激光器(1)输出的激光做预设的运动，激光扫描后即实现集流体的加工，在保证加工质量的前提下，提高加工效率。
4.根据权利要求1所述的一种激光多重频优化组合加工储能器件三维集流体的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对铜箔的集流体进行预处理，先在丙酮溶液中超声清洗5min，再在去离子水中超声清洗5min，最后在无水乙醇中超声清洗5min；
2)搭建飞秒激光系统，飞秒激光系统包括飞秒激光器(1)，飞秒激光器(1)输出激光经第一反射镜(2)、第二反射镜(3)、小孔光阑(11)，经再经过扩束镜(4)，进入振镜(5)，再经过场镜(6)聚焦，聚焦后的光线照射在固定在x、y、z可调节移动载物台(8)上的集流体(7)上，飞秒激光器(1)、振镜的控制单元(9)和计算机(10)连接；
3)利用计算机(10)调节飞秒激光器(1)输出激光波长为1030nm，重频为2kHz-200kHz，脉宽为240fs，单脉冲能量30-100μJ；
4)利用计算机(10)通过振镜的控制单元(9)控制振镜(6)进而控制激光的脉冲延迟时间和运动轨迹，脉冲延迟时间为1ms-10000ms，通过脉冲延时与激光器重频，计算得到相应的脉冲数；
5)利用计算机(10)控制飞秒激光器(1)的参数；同时，利用软件Scan Master Designer设计需要加工的微孔阵列图案，并将图案划分成S1-S7七个加工区域，S1为矩形，位于集流体的左上角；S2为L形，面积为S1的4倍，位于集流体的左上角并与S1相邻；S3为L形，面积为S1的6倍，位于集流体的左上角并与S2相邻；S4为L形，面积为S1的6倍，位于集流体的中间并与S3相邻；S5为L形，面积为S1的1.5倍，位于集流体的中间并与S4相邻；S6为L形，面积为S1的2倍，位于集流体的左下侧并与S5相邻；S7为L形，面积为S1的2倍，位于集流体的右上角并与S6、S5、S4、S3、S2相邻，每个加工区域设置不同的激光重频和脉冲延时：保证光斑重叠率一定的情况下，即重频与脉冲延时的乘积一定的情况下，S1-S7对应的重频参数依次由高到低，而脉冲延时则一次增加，具体如下：S1重频为200kHz，单孔脉冲延时1.2ms；S2重频为150kHz，单孔脉冲延时1.6ms；S3重频为100kHz，单孔脉冲延时2.4ms；S4重频为75kHz，单孔脉冲延时3.6ms；S5重频为66kHz，单孔脉冲延时3.63ms；S6重频为40kHz，单孔脉冲延时6ms；S7重频为20kHz，单孔脉冲延时12ms；
6)设置完成后，点击运行，开始对集流体的加工。
5.根据权利要求1所述的一种激光多重频优化组合加工储能器件三维集流体的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对铝箔的集流体进行预处理，先在丙酮溶液中超声清洗5min，再在去离子水中超声清洗5min，最后在无水乙醇中超声清洗5min；
2)搭建飞秒激光系统，飞秒激光系统包括飞秒激光器(1)，飞秒激光器(1)输出激光经第一反射镜(2)、第二反射镜(3)、小孔光阑(11)，经再经过扩束镜(4)，进入振镜(5)，再经过场镜(6)聚焦，聚焦后的光线照射在固定在x、y、z可调节移动载物台(8)上的集流体(7)上，飞秒激光器(1)、振镜的控制单元(9)和计算机(10)连接；
3)利用计算机(10)调节飞秒激光器(1)输出激光波长为1030nm，重频为2kHz-200kHz，脉宽为240fs，单脉冲能量30-100μJ；
4)利用计算机(10)通过振镜的控制单元(9)控制振镜(6)进而控制激光的脉冲延迟时间和运动轨迹，脉冲延迟时间为1ms-10000ms，通过脉冲延时与激光器重频，计算得到相应的脉冲数；
5)利用计算机(10)控制飞秒激光器(1)的参数；同时，利用软件Scan Master Designer设计需要加工的微孔阵列图案，并将图案划分成S1-S7七个加工区域，S1为矩形，位于集流体的左上角；S2为L形，面积为S1的2倍，位于集流体的左上角并与S1相邻；S3为L形，面积为S1的4倍，位于集流体的左上角并与S2相邻；S4为L形，面积为S1的6倍，位于集流体的中间并与S3相邻；S5为L形，面积为S1的6倍，位于集流体的中间并与S4相邻；S6为L形，面积为S1的2倍，位于集流体的左下侧并与S5相邻；S7为L形，面积为S1的1.5倍，位于集流体的右上角并与S6、S5、S4、S3、S2相邻，每个加工区域设置不同的激光重频和脉冲延时：保证光斑重叠率一定的情况下，即重频与脉冲延时的乘积一定的情况下，S1-S7对应的重频参数依次由高到低，而脉冲延时则一次增加，具体如下：S1重频为200kHz，单孔脉冲延时1.5ms；S2重频为150kHz，单孔脉冲延时2ms；S3重频为100kHz，单孔脉冲延时3ms；S4重频为75kHz，单孔脉冲延时4.01ms；S5重频为66kHz，单孔脉冲延时4.55ms；S6重频为40kHz，单孔脉冲延时7.5ms；S7重频为20kHz，单孔脉冲延时15ms；
6)设置完成后，点击运行，开始对集流体的加工。
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