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深度解讀

綠光時(shí)代:鋰電極片切割技術(shù)進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)分析

激光制造網(wǎng) 來(lái)源:公大激光2025-11-22 我要評(píng)論(0 )   

導(dǎo)言隨著鋰電池需求的快速釋放,鋰電池技術(shù)在最近15年的發(fā)展突飛猛進(jìn)。鋰電池在電池安全性,能量密度,制造成本上均得到了巨大的發(fā)展。鋰電池的極片切割技術(shù),從傳統(tǒng)的...

導(dǎo)言

隨著鋰電池需求的快速釋放,鋰電池技術(shù)在最近15年的發(fā)展突飛猛進(jìn)。鋰電池在電池安全性,能量密度,制造成本上均得到了巨大的發(fā)展。鋰電池的極片切割技術(shù),從傳統(tǒng)的刀具切割發(fā)展至今采用激光切割; 近年,激光切割由常規(guī)的紅外激光,逐步進(jìn)入短波長(zhǎng)和超快激光切割應(yīng)用方向。經(jīng)過(guò)最近3年的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用推進(jìn),高功率脈沖光纖綠光逐步成長(zhǎng)為鋰電池極片高精度切割的優(yōu)選方案。2025年,公大激光高功率綠光激光器在鋰電池極片模切領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)多家頭部廠商導(dǎo)入和應(yīng)用,該技術(shù)已通過(guò)的市場(chǎng)驗(yàn)證,步入商用階段。這一市場(chǎng)與技術(shù)的雙重突破,正驅(qū)動(dòng)著鋰電極片切割工藝邁向一個(gè)更精密、更高效、更可靠的新階段,為產(chǎn)業(yè)鏈的提質(zhì)降本與智能制造升級(jí)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。


01. 鋰電池極片切割市場(chǎng)需求巨大

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2025高工鋰電年會(huì)最新消息,歷經(jīng)十五載砥礪深耕,中國(guó)鋰電產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。產(chǎn)業(yè)規(guī)模從最初不足2GWh的“小池塘”,穩(wěn)步壯大至如今超2000GWh的“汪洋大?!?。在此過(guò)程中,不僅淬煉出一批躋身全球第一梯隊(duì)的行業(yè)巨頭,更推動(dòng)“中國(guó)新三樣”穩(wěn)穩(wěn)站上世界舞臺(tái)中央,充分彰顯中國(guó)鋰電的產(chǎn)業(yè)硬實(shí)力,以及不斷進(jìn)步的技術(shù)革新。鋰電池生產(chǎn)設(shè)備端,國(guó)產(chǎn)鋰電設(shè)備過(guò)去小步快走,受海外企業(yè)牽制;如今已發(fā)展到全產(chǎn)業(yè)鏈自主可控,大步引領(lǐng),未來(lái)將要稱(chēng)雄世界。


02. 鋰電池模切技術(shù)發(fā)展過(guò)程

鋰電池制造過(guò)程中的極耳切割成型、極片分切以及隔膜切割等工序均需要用到切割應(yīng)用。隨著高功率、高光束質(zhì)量紅外納秒激光器的成熟,從傳統(tǒng)的刀具切割發(fā)展至今的激光切割; 相比刀具切割,激光切割具有精度更高、運(yùn)營(yíng)成本更低等優(yōu)勢(shì),有助于電池生產(chǎn)提效降本。


目前生產(chǎn)商基本采用紅外脈沖納秒200~500W激光器進(jìn)行生產(chǎn),極片切割最大的痛點(diǎn)是毛刺、溶珠過(guò)大,導(dǎo)致電池內(nèi)部短路引起的安全事故,所以整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈急需技術(shù)迭代,找到一種能夠減少毛刺、溶珠,同時(shí)生產(chǎn)效率更高,穩(wěn)定性好的激光切割光源。隨著,國(guó)家對(duì)電池制造的安全要求提高,《電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力蓄電池安全要求》,《工信部—GB38031-2005》明年強(qiáng)制執(zhí)行,電池生產(chǎn)切割工藝提升,迫在眉睫。 動(dòng)力電池占比整車(chē)成本依舊偏高,電池生產(chǎn)良率是降本增效的有效的途徑之一。


短波長(zhǎng)或超短脈沖激光光源逐漸走進(jìn)舞臺(tái),進(jìn)入各頭部廠商的實(shí)驗(yàn)室。隨著公大激光高功率脈沖光纖綠光激光器逐步導(dǎo)入多家頭部廠商并獲得批量應(yīng)用,脈沖光纖綠光激光器被市場(chǎng)選定為下一代極片切割光源。


03. 為什么綠光可以獲得更好的效果

鋰電池極片切割發(fā)展過(guò)程和要求,從刀片切割到紅外激光切割,再到綠光切割,圍繞著更安全,更高效,更穩(wěn)定(切割質(zhì)量)向前推進(jìn)。


鋰電池切割主要包括正極片、負(fù)極片和隔膜三種材料切割。綠光,因其在高反金屬材料(銅和鋁)的高吸收率,在同等聚焦系統(tǒng)參數(shù)條件下的,長(zhǎng)焦深或更小的束腰直徑,可以獲得更高能量密度,更小平均功率注入,更寬的焦深切割窗口,獲得更好的切割質(zhì)量和更高切割良率。不管在大圓柱電池、疊片電池、還是方殼電池的極片切割工藝,綠光相對(duì)紅外都有切割優(yōu)勢(shì)。



04. 大圓柱電池負(fù)極切割為例,綠光對(duì)比紅外激光效果差異

大圓柱電池(尤其是4680規(guī)格)通過(guò)全極耳這一革命性設(shè)計(jì),解決了傳統(tǒng)圓柱電池內(nèi)阻高、發(fā)熱大的核心痛點(diǎn),完美契合了電動(dòng)汽車(chē)對(duì)超快充、高安全、低成本的追求。盡管其制造工藝,特別是全極耳的成型與焊接,帶來(lái)了新的挑戰(zhàn),但它無(wú)疑是當(dāng)前動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展中一條極具潛力的主流路線(xiàn)。正在被特斯拉、寶馬、寧德時(shí)代、LG新能源、億緯鋰能等全球頭部車(chē)企和電池制造商重點(diǎn)布局和推進(jìn)。


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4680全極耳電池結(jié)構(gòu): 在卷繞過(guò)程中,通過(guò)特殊工藝使正負(fù)極集流體(鋁箔和銅箔)的邊緣形成連續(xù)、完整的集流體暴露區(qū)域,代替了傳統(tǒng)的單個(gè)極耳。電池的連接方式: 整個(gè)卷芯的頂部(正極)和底部(負(fù)極)的整個(gè)圓面都通過(guò)激光焊接直接連接到蓋帽和殼體上。


電池結(jié)構(gòu)對(duì)切割良率提出了新要求。4680大圓柱電池的極片長(zhǎng)度約為3.3m,通常負(fù)極片的突出的銅箔部分切割為1000片以上的切縫后,采用揉平工藝把負(fù)極片整齊地堆疊在一起。該方案要求,負(fù)極極片(銅箔)的切割良率越高越好,一般要求大于99.99%,否則容易出現(xiàn)切不斷或者熔珠而導(dǎo)致揉平的整體效果。紅外脈沖激光切割負(fù)極片,由于本身對(duì)銅材料吸收率較低(小于5%),導(dǎo)致切割焦深較短,在銅箔存在一定的抖動(dòng)和褶皺時(shí),易出現(xiàn)切不斷的現(xiàn)象。而銅對(duì)綠光(532nm)的吸收率達(dá)到40%,吸收率約比紅外光(1064nm)高一個(gè)數(shù)量級(jí)。另外,相同規(guī)格光學(xué)聚焦系統(tǒng)條件下,綠光具有紅外兩倍的切割焦深,這一特性進(jìn)一步提升了切割穩(wěn)定性與良率, 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)下表。

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1.銅箔層切割

通過(guò)使用高速相機(jī)對(duì)公大的納秒脈沖綠光激光與納秒脈沖紅外激光進(jìn)行切割負(fù)極材料過(guò)程對(duì)比實(shí)拍,能清晰的看到在切割銅箔材料時(shí),綠光切割沒(méi)有明顯飛濺物,切縫窄,而紅外納秒脈沖激光在切割銅箔時(shí),切縫大,通過(guò)顯微鏡觀察樣品效果,納秒綠光切割純銅箔幾乎無(wú)毛刺,熱影響40μm,納秒紅外切割毛刺在5μm左右,熱影響50μm;同時(shí)對(duì)比離焦0.7mm處的切割情況,此時(shí)納秒紅外不能有效切斷,而納秒綠光仍可以有效切割。


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綠光切割銅箔高速視頻

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紅外切割銅箔高速視頻

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綠光離焦切割銅箔

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紅外離焦切割銅箔


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綠光切割焦深更大,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)卷繞大規(guī)模生產(chǎn)兼容性更好,切割質(zhì)量更優(yōu),良率更高。


2.石墨層切割

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綠光切割石墨

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紅外切割石墨


石墨涂層對(duì)比,由于綠光光斑聚焦小,能量密度高,使用綠光切割的石墨平整度要比紅外更好,而紅外切割邊緣會(huì)有存在波浪邊,影響最后多層壓疊的平整度。


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3.石墨與銅箔交接處切割

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綠光切割銅箔石墨連接處

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紅外切割銅箔石墨連接處


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在切割石墨與銅箔銜接處,由于材料吸收率的原因,納秒紅外因?yàn)闊崃刻邔?dǎo)致銜接處銅箔熔珠特別明顯,而納秒綠光能實(shí)現(xiàn)無(wú)熔珠的切割效果。


4.切割效果數(shù)據(jù)對(duì)比


銅箔層切割

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在鋰電池銅箔切割應(yīng)用中,綠光納秒脈沖激光(532nm)相比紅外納秒脈沖激光(1064nm)展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。由于銅對(duì)綠光的吸收率遠(yuǎn)高于紅外光,使得綠光在較低功率(120W)下即可實(shí)現(xiàn)高達(dá)150m/min的切割速度,超越紅外300W的90m/min;同時(shí)綠光切割的邊緣毛刺控制在0-5μm(紅外為5-10μm),且無(wú)熔珠殘留,切割焦深達(dá)±1.0mm(紅外僅±0.3mm),從而有效避免了由于銅箔在高速傳送過(guò)程中的抖動(dòng)而產(chǎn)生的切不斷現(xiàn)象發(fā)生。這些特性共同促使綠光切割的生產(chǎn)良率超過(guò)99.995%,遠(yuǎn)高于紅外的95-99.5%,從而在鋰電銅箔切割中實(shí)現(xiàn)更高效率、更優(yōu)質(zhì)量和更穩(wěn)定的工藝性能。


石墨涂層切割數(shù)據(jù)


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在鋰電負(fù)極片石墨層切割工藝中,綠光納秒脈沖激光器相比紅外激光器同樣展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。雖然兩者在切割效率(60~90m/min)和切割焦深(±0.7mm)上相近,但綠光激光的熱影響區(qū)僅為25μm,比紅外的35μm降低約?28.6%,說(shuō)明綠光被石墨材料吸收更高效、能量更集中,從而大幅減少熱擴(kuò)散對(duì)周邊材料的損傷。更重要的是,綠光切割實(shí)現(xiàn)了“無(wú)漏銅”,完全避免了紅外切割中因銅箔基底暴露可能導(dǎo)致的電池短路風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)端面與平面毛刺均為零。這些特點(diǎn)使綠光激光在提升負(fù)極片切割精度、保障電池安全性與電化學(xué)性能方面更具競(jìng)爭(zhēng)力,尤其適合高可靠性的鋰電池制造需求。


銅箔&石墨過(guò)渡區(qū)切割數(shù)據(jù)對(duì)比


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在鋰電負(fù)極片極耳(銅箔與石墨交接處)切割工藝中,傳統(tǒng)紅外激光由于石墨層和銅箔層材料吸收差異較大,特別是石墨層的吸收遠(yuǎn)高于銅箔的吸收,導(dǎo)致紅外在進(jìn)行銅箔與石墨交接處切割時(shí)在銅處容易產(chǎn)生較明顯的熔珠現(xiàn)象。綠光激光在銅箔表面的吸收率更高,極大的改善了這種現(xiàn)象,能量集中,因此切口幾乎無(wú)毛刺(0-5μm)、無(wú)溶珠、無(wú)漏銅,熱影響區(qū)極小,有效保護(hù)石墨層結(jié)構(gòu)完整性;同時(shí)切割速度可達(dá)150m/min,切割焦深達(dá)±0.7mm,對(duì)料帶高速傳輸過(guò)程的抖動(dòng)適應(yīng)性強(qiáng),生產(chǎn)良率超過(guò)99.99%。這些特性使綠光激光在極耳切割中能夠同時(shí)提升切割質(zhì)量、效率和可靠性,是未來(lái)高端高安全動(dòng)力電池的精密制造需求。


以上數(shù)據(jù)表明,大圓柱電池負(fù)極片材料切割,綠光相對(duì)紅外的效果有明顯的改善,特別在銅箔的切割焦深,狹縫的切割良率;石墨涂層的熱影響區(qū),切割端面的平整度;過(guò)渡區(qū)域的切割熔珠控制,切割效率和毛刺水平的提升等方面,都具有積極的作用。


05. 綠光在正極材料切割上表現(xiàn)同樣出色

脈沖綠光不僅在電池負(fù)極材料應(yīng)用上表現(xiàn)優(yōu)異,同時(shí)在電池正極材料切割上,表現(xiàn)出比紅外激光更優(yōu)的切割潛力,特別在正極片陶瓷層的切割上,短波長(zhǎng)對(duì)高分子材料的冷加工方案,有助于大幅提高AT陶瓷層的切割效果,有效降低切割毛刺和熱影響,對(duì)電池安全性有積極的作用。厚度為25μm左右的陶瓷復(fù)合材料,切割毛刺比紅外激光降低接近50%,最大毛刺小于10μm, 最大端面毛刺平均值接近隔膜厚度7μm左右。

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注:正極片切割,使用紅外和綠光效果都不太好,由于涂層材料的熔點(diǎn)明顯較中心鋁箔的熔點(diǎn)高,高速切割時(shí),熱影響對(duì)中間金屬層容易產(chǎn)生熔珠。即使采用多次切割的方式,有一定程度的改善,但仍然未滿(mǎn)足批量生產(chǎn)要求。


06. 高功率光纖綠光激光模切方案得到頭部客戶(hù)認(rèn)可

公大激光高功率綠光激光器在鋰電池極片模切領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)多家頭部廠商導(dǎo)入和應(yīng)用,該技術(shù)已通過(guò)最嚴(yán)格的市場(chǎng)驗(yàn)證,步入成熟商用階段。這一市場(chǎng)與技術(shù)的雙重突破,正驅(qū)動(dòng)著鋰電極片切割工藝邁向一個(gè)更精密、更高效、更可靠的新階段,為產(chǎn)業(yè)鏈的提質(zhì)降本與智能制造升級(jí)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。


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