纳秒激光切割锂离子电池负极极片的切缝特征研究

论文摘要

锂离子电池负极材料的切割加工是当今电子产业中电池制造的重要环节之一,其切割质量对材料在电池中的使用性能与安全方面有着至关重要的作用。近年来,激光凭借高质量、高速、高柔性与适用性好的特性被广泛应用于各类材料的切割中。因此,纳秒激光在切割锂离子电池材料的加工中也发挥了传统机械加工不可比拟的优势,成为当前电极材料产业中切割加工方式的首选。本文以三层复合锂离子电池负极极片材料为对象,开展纳秒脉冲激光扫描切割极片的研究。对切割后形成的典型切缝形状,定义了对应的切缝特征参数,分别为水平面上量取的表面烧蚀宽度、石墨层切缝宽度、铜箔切缝宽度以及竖直方向上量取的切缝深度。针对纳秒激光切割负极材料的过程,通过有限元数值方法建立了纳秒激光切割负极极片的模型,对切割过程中的温度场进行模拟计算,通过温度场边界提取材料温度值来模拟切缝的形状大小,从而确定切缝特征参数的计算值。计算结果表明,负极石墨层和铜箔临界处的温度变化趋势产生了突变,相应的导致了纳秒激光切割负极材料特殊的切缝特征,其原因是两种材料之间的热阻与不同热物性参数导致的热量传递差异。相同参数下的切割试验结果表明,模拟计算得到的切缝特征参数变化规律与试验结果一致,其误差约为10%。在此模型的基础上,通过探究激光切割速度、平均功率、脉冲频率与脉冲宽度对切缝特征的影响规律,得到了较优的工艺参数范围,可以得到完全切断的效果。在纳秒激光加工平台上开展了负极切割工艺试验,探究了切缝特征的影响因素。试验结果表明,激光功率与激光切割速度对切缝特征参数的影响较大,各层宽度与切缝深度随激光切割速度的增大而减小,随激光功率、脉冲频率与脉冲宽度的增大而增大,且各层宽度从上向下逐层递减。激光功率140W,切割速度500mm/s,脉冲频率150kHz,脉冲宽度60ns时可得到极片完全切断的效果,并且能避免过度烧蚀导致的质量下降。通过比较单层铜箔材料和负极复合材料的切缝特征发现,得益于石墨对激光的高吸收率与有利于切割的热物性,负极极片材料的切割加工可以吸收更多的热量,从而得到更好的切割质量。根据试验中产生的燃烧、颗粒团聚与铜箔边缘熔化现象,得出纳秒激光切割负极材料的主要机制为石墨的气化切割与铜箔的熔化、氧化熔化以及气化切割。本文为纳秒激光锂离子电池极片的切割提供理论分析和试验参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 选题背景
•   1.2 激光切割极片切缝特征的研究意义
•     1.2.1 传统切割方式的问题
•     1.2.2 激光加工锂离子电池极片的优点
•     1.2.3 纳秒激光的应用优势
•   1.3 研究现状
•     1.3.1 锂离子电池极片切割国内外研究现状
•     1.3.2 激光切割模拟国内外研究现状
•   1.4 主要研究内容
• 第2章 纳秒激光切割负极极片的传热模型
•   2.1 纳秒激光切割负极极片的主要问题
•     2.1.1 飞溅颗粒团聚现象
•     2.1.2 特征参数的定义
•   2.2 纳秒激光切割极片过程的描述
•     2.2.1 极片材料的复合结构
•     2.2.2 激光与负极极片的作用规律
•   2.3 纳秒激光切割负极极片的模型建立
•     2.3.1 负极极片切割过程的传热形式
•     2.3.2 数学模型的假设条件
•     2.3.3 纳秒激光切割负极极片的导热微分方程
•     2.3.4 导热过程中的初始条件及边界条件
•   2.4 本章小结
• 第3章 纳秒激光切割负极极片传热模型的求解
•   3.1 纳秒激光切割负极极片模型的实现
•     3.1.1 材料的热物性参数
•     3.1.2 几何模型与网格划分
•     3.1.3 初始条件及边界条件的加载与求解
•   3.2 温度场计算
•     3.2.1 温度场分布特点
•     3.2.2 温度变化曲线
•   3.3 数值模拟结果的准确性验证
•     3.3.1 试验设备与方法
•     3.3.2 模型精度的验证
•   3.4 本章小结
• 第4章 纳秒激光切割负极极片切缝特征的结果分析
•   4.1 颗粒成分及切割机制的分析
•   4.2 三种典型切缝形态
•   4.3 工艺参数对切缝宽度的影响
•     4.3.1 激光功率对切缝特征参数的影响
•     4.3.2 切割速度对切缝特征参数的影响
•     4.3.3 脉冲频率对切缝特征参数的影响
•     4.3.4 复合结构对单层铜箔缝宽的影响
•   4.4 工艺参数对切缝深度的影响
•   4.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间发表的学术论文和专利

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 晏一菓

导师: 张屹,黄锐

关键词: 激光切割,负极极片,切割工艺,数值模拟,切缝特征

来源: 湖南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,电力工业,无线电电子学

单位: 湖南大学

基金: 国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”重点专项2016YFE0128800

分类号: TM912;TN249

DOI: 10.27135/d.cnki.ghudu.2019.000783

总页数: 72

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