鋰離子電池和太陽能電池作為新能源一代的電池，廣泛用于電子產(chǎn)品、民生設(shè)施和能源存儲(chǔ)等領(lǐng)域。尤其是我國大力扶持和推進(jìn)新能源汽車市場后，新能源汽車用鋰電池加工也吸引了激光制造業(yè)的關(guān)注。

一 超快激光在鋰離子電池方面的應(yīng)用

01

鋰電池電極材料激光切割技術(shù)

鋰離子電池是一種二次電池，主要依靠鋰離子在正負(fù)極之間移動(dòng)來工作，其生產(chǎn)過程主要包括電極制作和電芯裝配兩個(gè)步驟。在鋰離子電池的制作過程中，電極材料的切割是電池制造中至關(guān)重要的一步，因?yàn)殡姌O的切割質(zhì)量直接影響到電池的安全性能及使用性能。

近年來，隨著激光切割技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，也吸引了鋰離子電池制造業(yè)的關(guān)注。采用激光切割電極材料可以完全避免機(jī)械切割方法加工電極時(shí)出現(xiàn)的毛刺、卷邊等質(zhì)量缺陷，從而大大提高了電池的安全性能，同時(shí)還可以避免磨損刀具的維修和替換帶來的額外成本，此外，激光切割還具有切割邊緣潔凈、可精確加工等優(yōu)點(diǎn)。

然而，在目前長脈沖激光和連續(xù)激光切割電極材料的相關(guān)研究中，激光切割電極材料后主要存在切縫邊緣的分層和熱影響區(qū)（HAZ）等問題。

分層即電極切縫邊緣的金屬層裸露而無涂層覆蓋的現(xiàn)象，分層減少了電極表面的活性物質(zhì)，降低了電極的有效面積，從而導(dǎo)致電池容量下降。

熱影響區(qū)即長脈沖激光和連續(xù)激光切割電極過程中，輸入的激光能量使材料局部受熱，導(dǎo)致激光輻照區(qū)域附近的溫度上升的現(xiàn)象。熱影響區(qū)降低了表層材料的活性，且會(huì)增大切縫邊緣表層材料脫落的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致電池容量的降低。

超快激光具有超短脈沖寬度和超高峰值功率密度的特點(diǎn)，且可以實(shí)現(xiàn)“冷加工”的效果，可以大大減小加工過程的熱效應(yīng)，有效避免切割邊緣表面的銅污染，獲得更好的切割質(zhì)量。

2019年，湖南大學(xué)張屹等人利用超快激光對鋰材料電池的負(fù)極材料進(jìn)行切割，并對其實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)，在功率為10.7~34.2 W，切割速度為20~95 mm/s時(shí)，切割負(fù)極均獲得了良好的切割質(zhì)量，其負(fù)極正面和背面的分層寬度和HAZ分別為22~28 μm和51~70 μm，背面分別為11~21 μm和35~40 μm，如圖1所示。

圖1 功率為10.7W，切割速度為20 mm/s下，利用飛秒激光切割電池負(fù)極材料得到的分層寬度和HAZ寬度結(jié)果圖

02

鋰電池極耳激光切割技術(shù)

在鋰電池的極耳加工環(huán)節(jié)中，傳統(tǒng)的五金模切技術(shù)存在的瓶頸就已日益凸顯，包括加工效率低、應(yīng)用靈活性差等問題，已無法適應(yīng)智能制造的發(fā)展要求，取而代之的激光極耳切割技術(shù)則成為了降低動(dòng)力鋰電池極耳片生產(chǎn)成本，提升產(chǎn)品穩(wěn)定性的新路徑。

激光在鋰電池極片上切割出正負(fù)極耳朵時(shí)，切割效果會(huì)直接影響鋰電池的安全性。切割毛刺、熱影響區(qū)和漏金屬區(qū)過大，都可能影響鋰電池的性能，而超快激光特有的“冷加工”特性恰能解決該問題。

2019年，全球電動(dòng)出行創(chuàng)新大會(huì)&金磚鋰電論壇上，盛雄激光市場總監(jiān)葉峰在演講中提出，其團(tuán)隊(duì)將納秒切割與皮秒切割進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，納秒在切極耳時(shí)熱影響為40 μm左右，且在切割表面存在熔珠；而使用皮秒進(jìn)行切割時(shí)，其熱影響區(qū)僅為10 μm，且不存在熔珠現(xiàn)象，因此超快激光加工可以獲得更高質(zhì)量、更高穩(wěn)定性和更優(yōu)品質(zhì)的鋰電池極耳。

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鋰電池三維結(jié)構(gòu)電極的激光制備

鋰電池因其較高的性價(jià)比成為市場應(yīng)用中最為廣泛的電池之一，但它依然存在著一些急需改進(jìn)的缺陷，其中一個(gè)核心問題是鋰電池的電流方向所導(dǎo)致的問題。眾所周知，鋰電池的電池方向是陽極到陰極的一維擴(kuò)散，這就導(dǎo)致了電流密度的不均勻性、功率損失、電極接觸電阻增高、鋰電池充放電引起的膨脹以及機(jī)械應(yīng)力。

解決這一問題的一個(gè)有效方法是采用三維結(jié)構(gòu)的電極，以增加電極的表面面積，并在維持高功率密度的條件下獲得大面積儲(chǔ)能，通常做法是在硅基板上用刻蝕的方法制作三維結(jié)構(gòu)，但這種方法尚不成熟，且與現(xiàn)有工藝有所沖突。

鑒于此，青島自貿(mào)激光科技有限公司的曹祥東提出了一種基于超快激光制造三維結(jié)構(gòu)電池的裝置和方法，并控制系統(tǒng)在電極上形成了預(yù)設(shè)三維結(jié)構(gòu)，如圖2所示，增加了電池陽極和陰極的表面積，改進(jìn)電池的電極和電解液的接觸和打濕度，并能夠與現(xiàn)有電池生產(chǎn)流程無縫銜接，降低了生產(chǎn)成本且提高了電池質(zhì)量。

圖2 飛秒激光加工電極表面三維結(jié)構(gòu)圖

二 超快激光在太陽能電池方面的應(yīng)用

太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。目前，太陽能電池依據(jù)所用材料的不同，太陽能電池還可分為硅太陽能電池、納米晶太陽能電池、有機(jī)太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池等。而超快激光憑借其獨(dú)有的優(yōu)勢，在眾多太陽能電池中都可以發(fā)揮其特有的功能。

01

硅太陽能電池

硅材料具有較強(qiáng)的耐高溫能力、價(jià)格低廉以及硅儲(chǔ)備資源豐富等特性，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代半導(dǎo)體和大規(guī)模集成電路基底中，這也使得硅太陽能電池成為目前發(fā)展最迅速和最成熟的太陽能電池，且在實(shí)際應(yīng)用中占領(lǐng)主要地位。

然而硅材料自身也存在一定的缺陷：單晶硅的禁帶寬度為1.07 eV（對應(yīng)波長1100 nm），這就導(dǎo)致光子能量小于1.07 eV（波長大于1100 nm）的光會(huì)直接透過硅材料，而不能被直接吸收；硅材料時(shí)間隙半導(dǎo)體材料導(dǎo)致硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率基本小于1/3。因此為了提高硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，就要進(jìn)一步提高硅材料對光的吸收。

為了克服硅材料自身的缺陷，眾多科學(xué)家們在硅材料基底上做了廣泛的研究。1999年，哈佛大學(xué)的Eric Mazur教授及其研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在一個(gè)充滿SF6氣體的真空環(huán)境中，用聚焦的飛秒激光光束對硅晶片表面進(jìn)行掃描后發(fā)現(xiàn)硅材料表面變?yōu)榱似岷谏?，且在電子掃描顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，在硅材料表面覆蓋了一層微米級別的尖峰結(jié)構(gòu)，如圖3所示，該材料即為“黑硅”。

圖3 飛秒激光制備“黑硅”材料樣品圖與尖峰結(jié)構(gòu)形貌圖

2001年，哈佛大學(xué)的C.Wu，C.H.Crouch和E.Mazur等人發(fā)現(xiàn)“黑硅”在0.25~1.1 μm波長范圍內(nèi)，樣品對入射光的吸收可達(dá)95%；在1.1~2.5 μm波長范圍內(nèi)，吸收率可達(dá)90%，這是在發(fā)現(xiàn)黑硅材料基礎(chǔ)上，其應(yīng)用上的重大突破。

2002年，復(fù)旦大學(xué)的趙明等人在SF6氣體中用飛秒激光照射硅的表面，在表面形成了微米級的尖峰突起結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)在波長為250~2500 nm的光波有大于90%的吸收。

2010年，SiOnyx公司將超快激光制備的超薄黑硅用于太陽能電池，這種電池比目前使用的晶片薄20%，提高了紅外性能，使得轉(zhuǎn)換效率較普通商用太陽能電池提升了0.3%，且降低了硅基太陽能電池的成本。

2013年，上海超精密光學(xué)制造中心的Xiao Dong等人報(bào)道了在NF3氣體中制備出的黑硅經(jīng)退火后對中紅外光仍具備較高的吸收效率。

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薄膜太陽能電池

薄膜太陽能電池屬于疊層器件，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。相對于傳統(tǒng)電子器件，疊層器件具有功耗低、體積小、易集成、攜帶方便等突出優(yōu)點(diǎn)。然而，其電極的制備工藝較為復(fù)雜，若使用傳統(tǒng)的納秒激光制備，其加工過程中存在兩方面的不足：

１）熔融物和掛渣不易去除；

２）在對上層材料的去除過程中對下層材料有熱損傷。

圖4 （a）薄膜太陽能電池疊層結(jié)構(gòu)；（b）激光加工工序圖

超快激光微納制造可以達(dá)到調(diào)控電子狀態(tài)實(shí)現(xiàn)“冷加工”的目的，具有閾值效應(yīng)明顯、熱影響區(qū)極小、可控性高等優(yōu)勢，可以將其應(yīng)用于薄膜太陽能電池電極加工工序中以達(dá)到選擇性去除的作用。具體的加工工序如圖4(b)所示。

2010年，立陶宛物理科學(xué)技術(shù)中心應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室的Gecys等利用355 nm的皮秒激光器，通過控制加工頻率以及單脈沖能量對薄膜太陽能電池ITO/CIGS/Mo/PI構(gòu)型進(jìn)行P1工序加工，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在選擇性去除銦錫氧化物（ITO）和CIGS時(shí)，皮秒激光加工不會(huì)產(chǎn)生明顯的損傷痕跡，且可以應(yīng)用于P3工序加工中。

2012年，德國慕尼黑的Heise等人使用High-Q公司生產(chǎn)的皮秒激光器對300 mm×300 mm大面積的太陽能薄膜電池依次進(jìn)行P1、P2、P3工序的加工，最終實(shí)驗(yàn)證明樣品的電池效率達(dá)到了14.7%，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 皮秒激光器加工太陽能薄膜電池形貌圖

國內(nèi)，天虹激光已開發(fā)出薄膜太陽能電池的全套加工設(shè)備，包括P1、P2、P3薄膜電池激光劃線機(jī)和P4薄膜電池激光清邊機(jī)，如圖6所示。

圖6 P1、P2、P3薄膜電池激光劃線機(jī)和P4薄膜電池激光清邊機(jī)

其中劃線機(jī)設(shè)備可以完成對微晶硅薄膜太陽能電池引入后所涉及的P2、P3（第二道和第三道）激光劃線進(jìn)行加工，能夠?yàn)楦咝史蔷Ч?微晶硅疊層薄膜太陽能電池組件的獲得提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，而清邊機(jī)設(shè)備可根據(jù)需要操縱平臺(tái)縱向移動(dòng)和光學(xué)箱橫向移動(dòng)，使激光頭在電池片指定區(qū)域下方，通過振鏡快速掃描，去除電池片指定區(qū)域膜層，且去除過程中集塵口跟隨激光光斑運(yùn)動(dòng)，以保證清邊的同時(shí)進(jìn)行集塵操作。

03

其他太陽能電池

2016年，江蘇大學(xué)的花銀群等人利用飛秒激光，在不同的環(huán)境介質(zhì)中，輻照GaAs電池表面，通過選擇相應(yīng)的激光單脈沖能量，在GaAs電池表面得到了不同的微納米減反結(jié)構(gòu)，從而降低了GaAs電池表面的反射率，提高了GaAs電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

同年，渤海大學(xué)的邵珠峰等人利用線偏振飛秒激光脈沖將對非晶硅薄膜太陽能電池n型非晶硅膜表面上進(jìn)行絨化處理，如圖7所示，得到高效的p?i?n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到14.9％，是未經(jīng)處理非晶硅薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的2倍。

圖7 飛秒激光表面絨化非晶硅薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖：

（a）pin型a-Si TFSC結(jié)構(gòu)；（b）刻蝕后電池表面微結(jié)構(gòu)形貌圖

2017年，北京工業(yè)大學(xué)的竇菲等人，利用特定強(qiáng)度的飛秒激光照射有機(jī)太陽能電池材料溶液一段時(shí)間，使有機(jī)材料分子間的作用進(jìn)行調(diào)制，進(jìn)而使得其在紅光光譜范圍波段的吸收增強(qiáng)，該方法具有易實(shí)現(xiàn)，工藝簡單，可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)大批量的吸收增強(qiáng)的有機(jī)材料的制備。

2018年，武漢理工大學(xué)的程一兵等人通過飛秒激光低溫切割，將大面積柔性鈣鈦礦太陽能電池分成小電池條，并將其串聯(lián)起來，保證其能量轉(zhuǎn)換效率，為實(shí)現(xiàn)大面積柔性鈣鈦礦太陽能電池的生產(chǎn)提供了可能。

目前，帝爾激光設(shè)計(jì)開發(fā)了一種大產(chǎn)能激光消融設(shè)備，如圖8所示，該設(shè)備可采用皮秒激光光源對晶體硅太陽能電池背面的鈍化層介質(zhì)膜進(jìn)行激光開孔，可以將鋁沉積在Al2O3/SiN介質(zhì)層，然后進(jìn)行激光選擇開孔，最后印刷鋁絲網(wǎng)，并燒結(jié)形成穿過孔洞的局部背場（BSF）接觸，可以最大程度減少背面金屬接觸面積和橫向電阻、降低金屬與半導(dǎo)體的高速復(fù)合區(qū)域，進(jìn)而達(dá)到提高短路電流和開路電壓的效果。

圖8 帝爾激光設(shè)計(jì)開發(fā)的大產(chǎn)能激光消融設(shè)備

小 結(jié)

鋰電池和太陽能電池是我國新能源行業(yè)極具競爭力的新型產(chǎn)業(yè)，屬于國家支持的先進(jìn)高新技術(shù)企業(yè)，超快激光有望將長脈寬去除過程中的“熱效應(yīng)”盡可能地向“光效應(yīng)”轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)高精度的“冷加工”。雖然超快激光與材料相互作用的機(jī)制還需進(jìn)一步進(jìn)行研究，但其獨(dú)特的切割機(jī)制、去除機(jī)制和誘導(dǎo)機(jī)制，必將在新能源領(lǐng)域獲得用武之地并進(jìn)一步擴(kuò)展其應(yīng)用范圍，最大程度上推動(dòng)新能源電池等行業(yè)的不斷發(fā)展。

☆ END ☆