CN116652394A - 基于掺铥飞秒激光的电池微结构蚀刻装置与工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于掺铥飞秒激光的电池微结构蚀刻装置与工作方法，包括激光单元，用于发射激光，包括激光器，沿激光器发出的光路依次布置有光开关、光隔离器、偏振片、偏振分光棱镜、激光扩束镜、二维振镜和远心场镜；控制单元，控制激光单元发射的激光在待加工电池的极片上形成预设的微孔结构；辅助单元，用于蚀刻过程中，配合激光单元带动待加工电池的极片运动。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，具体为基于掺铥飞秒激光的电池微结构蚀刻装置与工作方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
锂离子电池通过制备电池浆料、涂布、干燥、辊压、切割、注液以及化成等工艺完成制造，在现有的生产工艺中，锂离子电池的极片经切割后会直接进入注液工序，由于电极材料和电解液化学特性的限制，使得电解液与电极表面润湿性不均匀，使得接触电阻增加，导致化学反应不充分，这一问题直接使电池容量下降，充放电循环寿命变短。
一些生产工艺在注液之前对锂离子电池极片的表面进行微孔加工以改善性能，对电池极片的表面进行微孔加工时会采用传统的长脉冲激光，长脉冲激光加工方法存在明显的热效应，加工过程容易对电池极片产生损伤，从而影响锂电池极片的电化学性能。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供基于掺铥飞秒激光的电池微结构蚀刻装置与工作方法，提高锂离子电池极片材料微孔加工质量和加工效率，改进锂离子电池正负极电极和电解液的润湿性，以此来降低接触电阻，提高化学反应速率，延长充放电循环寿命。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供基于掺铥飞秒激光的电池微结构蚀刻装置，包括：
激光单元，用于发射激光，包括激光器，沿激光器发出的光路依次布置有光开关、光隔离器、偏振片、偏振分光棱镜、激光扩束镜、二维振镜和远心场镜；
控制单元，控制激光单元发射的激光在待加工电池的极片上形成预设的微孔结构；
辅助单元，用于蚀刻过程中，配合激光单元带动待加工电池的极片运动。
激光器产生波长1800nm-2050nm，脉宽小于1皮秒的掺铥激光。
激光器产生的光源依次经过第一反射镜和第二反射镜到达光开关，用于将光束转向。
光开关与控制单元连接，用于控制掺铥飞秒激光脉冲的数量。
光隔离器，用于防止反向光输入影响激光器光束功率及能量输出稳定性，光隔离器的隔离度不小于30db。
偏振片和偏振分光棱镜分别与控制单元连接，用于控制激光在电极表面的偏振态，并控制激光的脉冲能量。
激光扩束镜与控制单元连接，用于调整激光的远场发散角及输入振镜的光斑大小。
二维振镜与控制单元连接，通过远心场镜聚焦激光光束，在二维振镜的扫描范围内，能够垂直聚焦于待加工电池的电极片表面。
激光单元上设有图像采集模块和振镜同轴监视模块，用于监测蚀刻期间电池极片表面产生微孔蚀刻的形貌。
辅助单元具有运动平台和除尘模块；
运动平台上设有真空吸附平台，运动平台通过真空吸附平台将待加工的电池极片固定，并通过运动平台带动电池极片运动到激光单元的加工区域；
除尘模块用于回收激光加工锂电池电极极片微孔蚀刻过程中的粉尘及烟雾。
本发明的第二个方面提供上述装置的工作方法，包括以下步骤：
激光器产生光源，经过光隔离器、偏振片和偏振分光棱镜后到达激光扩束镜进行扩束，经二维振镜和远心场镜得到聚焦光斑并照射到加工区域；
根据电池极片表面微孔结构的参数，运动平台带动待加工电池极片到达聚焦光斑的焦点位置；
激光器产生设定参数的掺铥激光，配合运动单元带动待加工电池极片的运动实现表面微孔结构的蚀刻。
与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
1、以掺铥激光作为加工能量源，光路结构中的光隔离器用于防止反向光输入影响激光器光束功率及能量输出稳定性，偏振片用于控制激光在电极表面的偏振态，利用偏振分光棱镜与偏振片组合控制激光的脉冲能量，从而提高锂离子电池极片材料微孔加工质量和加工效率，改进锂离子电池正负极电极和电解液的润湿性，以此来降低接触电阻，提高化学反应速率，延长充放电循环寿命。
2、利用激光扩束镜调整激光的远场发散角及输入振镜的光斑大小，发散角越小，平行度越高，聚焦光斑越集中。配合运动平台带动电池极片运动，实现蚀刻加工过程中的位置定位及激光焦点位置的调节。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明一个或多个实施例提供的基于掺铥飞秒激光的电池微结构蚀刻装置结构示意图；
图中：1、激光器，2、第一反射镜，3、第二反射镜，4、光开关，5、光隔离器，6、偏振片，7、偏振分光棱镜，8、激光扩束镜，9、图像采集模块，10、振镜同轴监测模块，11、二维振镜，12、远心场镜，13、电池极片，14、真空吸附平台，15、运动平台，16、上位机。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
正如背景技术中所描述的，对锂电池极片表面进行微孔加工时，传统的长脉冲激光加工方法存在明显的热效应，加工过程容易对电池极片产生损伤，从而影响锂电池极片的电化学性能。飞秒激光具有极短的脉宽和极高的峰值功率，激光脉冲对材料的作用时间短，热影响区小，可以极大的提高材料加工精度；同时，飞秒激光高峰值功率特性，大大降低材料的去除阈值并提高加工效率。
因此，以下实施例给出基于掺铥飞秒激光的电池微结构蚀刻装置与工作方法，能够在锂电池极片中蚀刻微孔结构，增大了锂电池极片比表面积，改进锂离子电池正负极电极和电解液的润湿性，以此来降低接触电阻，提高化学反应速率，延长充放电循环寿命。由于在锂电池正负极极片生产工艺中会残留微量水分子，在正负极极片经过烘干工艺后，利用掺铥飞秒激光在极片材料上进行微孔通孔加工，针对掺铥飞秒激光的波长在2微米波长处，在该波长处，对水的吸收可以达到极高峰值，由于吸收更好，能够极大提高加工效率。
实施例一：
如图1所示，基于掺铥飞秒激光的电池微结构蚀刻装置，包括
激光单元，用于发射激光；
控制单元，控制激光单元发射的激光在锂离子电极的极片上形成预设的微孔结构；
辅助单元，包括除尘模块和运动平台。
激光单元包括，沿激光器1发出的光路依次布置的光开关4、光隔离器5、偏振片6、偏振分光棱镜7、激光扩束镜8、二维振镜11和远心场镜12。
激光器1用于向待加工的电池极片表面发射激光脉冲，发出的激光脉冲具体为：掺铥激光，波长1800nm-2050nm，脉宽小于1皮秒。
本实施例中，激光器1产生的光源依次经过第一反射镜2和第二反射镜3到达光开关4，两组反射镜均为45度反射镜，用于将光束转向。
本实施例中，在电池极片表面加工的微孔为群微孔，并且为通孔结构，孔径0.01mm，孔间距0.02mm。
光开关4用于控制掺铥飞秒激光脉冲的数量，开闭及信号同步。
光隔离器5用于防止反向光输入影响激光器光束功率及能量输出稳定性，本实施例中，光隔离器5的隔离度大于30db。
偏振片6用于控制激光在电极表面的偏振态，包括线偏振，圆偏振及径向偏振，通过控制不同偏振态可以产生不同的微孔形貌。
偏振分光棱镜7与偏振片6组合用于控制激光的脉冲能量。
激光扩束镜8用于调整激光的远场发散角及输入振镜的光斑大小；发散角越小，平行度越高，聚焦光斑越集中。
二维振镜11及远心场镜12用于激光光束的高速扫描偏转和光束聚焦，其中远心场镜12用于保证在二维振镜11的整个扫描范围内，激光光束都能够垂直聚焦于锂电池电极材料的表面，从而获得高质量的聚焦光斑。
待加工的锂电池电极极片13表面上方设有图像采集模块9和振镜同轴CCD成像监视模块10，两者用于观察掺铥飞秒激光在锂离子电池极片13表面微孔蚀刻产生的形貌。
控制单元包括上位机16和运动平台15，运动平台15上表面设有真空吸附平台14，运动平台15通过真空吸附平台14将待加工的锂电池电池极片13固定，并通过运动平台15带动电池极片13运动到激光单元的加工区域。
图像采集模块9和振镜同轴监视模块10具备振镜扫描加工过程的实时显示功能，并配合运动平台15实现插补定位和位置修正功能。
真空吸附平台14可以为陶瓷微孔真空吸附平板配合能够产生真空的设备，用于将锂离子电池极片水平平整的吸附于陶瓷微孔真空吸附平板表面，保证激光聚焦焦点位置的一致性，提高锂电池电极极片微孔蚀刻加工质量。
上位机16中搭载基于C++软件环境开发的控制软件，用于控制激光单元发射的激光在锂离子电极的极片上形成预设的微孔结构，控制运动平台15带动锂离子电池极片13加工过程的位置定位，控制激光单元的激光焦点位置。
除尘模块可以为烟雾及粉尘吸收器，用于回收激光加工锂电池电极极片微孔蚀刻过程中的粉尘及烟雾，避免粉尘对锂电池电极极片加工中蚀刻质量的影响，同时减少粉尘和烟雾对环境污染。
实施例二：
本发明的第二个方面提供上述装置的工作方法，包括以下步骤：
激光器产生光源，经过光隔离器5、偏振片6和偏振分光棱镜7后到达激光扩束镜8进行扩束，经二维振镜11和远心场镜12得到聚焦光斑并照射到加工区域；
根据电池极片表面微孔结构的参数，运动平台带动待加工电池极片到达聚焦光斑的焦点位置；
激光器产生设定参数的掺铥激光，配合运动单元带动待加工电池极片的运动实现表面微孔结构的蚀刻。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于掺铥飞秒激光的电池微结构蚀刻装置，其特征在于，包括：
激光单元，用于发射激光，包括激光器，沿激光器发出的光路依次布置有光开关、光隔离器、偏振片、偏振分光棱镜、激光扩束镜、二维振镜和远心场镜；
控制单元，控制激光单元发射的激光在待加工电池的极片上形成预设的微孔结构；
辅助单元，用于蚀刻过程中，配合激光单元带动待加工电池的极片运动。
2.如权利要求1所述的基于掺铥飞秒激光的电池微结构蚀刻装置，其特征在于，所述激光器产生波长1800nm-2050nm，脉宽小于1皮秒的掺铥激光。
3.如权利要求1所述的基于掺铥飞秒激光的电池微结构蚀刻装置，其特征在于，所述激光器产生的光源依次经过第一反射镜和第二反射镜到达光开关，用于将光束转向。
4.如权利要求1所述的基于掺铥飞秒激光的电池微结构蚀刻装置，其特征在于，所述光开关与控制单元连接，用于控制掺铥飞秒激光脉冲的数量。
5.如权利要求1所述的基于掺铥飞秒激光的电池微结构蚀刻装置，其特征在于，所述偏振片和偏振分光棱镜分别与控制单元连接，用于控制激光在电极表面的偏振态，并控制激光的脉冲能量。
6.如权利要求1所述的基于掺铥飞秒激光的电池微结构蚀刻装置，其特征在于，所述激光扩束镜与控制单元连接，用于调整激光的远场发散角及输入振镜的光斑大小。
7.如权利要求1所述的基于掺铥飞秒激光的电池微结构蚀刻装置，其特征在于，所述二维振镜与控制单元连接，通过远心场镜聚焦激光光束，在二维振镜的扫描范围内，能够垂直聚焦于待加工电池的电极片表面。
8.如权利要求1所述的基于掺铥飞秒激光的电池微结构蚀刻装置，其特征在于，所述激光单元上设有图像采集模块和振镜同轴监视模块，用于监测蚀刻期间电池极片表面产生微孔蚀刻的形貌。
9.如权利要求1所述的基于掺铥飞秒激光的电池微结构蚀刻装置，其特征在于，所述辅助单元具有运动平台和除尘模块；
运动平台上设有真空吸附平台，运动平台通过真空吸附平台将待加工的电池极片固定，并通过运动平台带动电池极片运动到激光单元的加工区域；
除尘模块用于回收激光加工锂电池电极极片微孔蚀刻过程中的粉尘及烟雾。
10.基于权利要求1-9任一项所述装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
激光器产生光源，经过光隔离器、偏振片和偏振分光棱镜后到达激光扩束镜进行扩束，经二维振镜和远心场镜得到聚焦光斑并照射到加工区域；
根据电池极片表面微孔结构的参数，运动平台带动待加工电池极片到达聚焦光斑的焦点位置；
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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