一種基于超快激光制造三維結(jié)構(gòu)電池的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于超快激光制造三維結(jié)構(gòu)電池的裝置和方法，所述裝置包括控制系統(tǒng)和激光系統(tǒng)，所述激光系統(tǒng)用于向電池的電極發(fā)射超快激光，所述控制系統(tǒng)用于控制激光系統(tǒng)發(fā)射的超快激光在電極上形成預(yù)設(shè)三維結(jié)構(gòu)或微納圖案。利用超快激光加工，大幅度提高鋰電池性能，從而增加鋰電池陽(yáng)極和陰極表面積，改進(jìn)鋰電池電極和電解液接觸或打濕度；本發(fā)明可以無(wú)縫用于現(xiàn)有鋰電池生產(chǎn)流程，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)量。
【專利說(shuō)明】
一種基于超快激光制造三維結(jié)構(gòu)電池的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及激光應(yīng)用工藝領(lǐng)域，更具體的說(shuō)，是涉及一種基于超快激光制造三維結(jié)構(gòu)電池的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰電池因其較高的性價(jià)比成為市場(chǎng)應(yīng)用最為廣泛的電池，尤其是在清潔能源，新能源汽車等應(yīng)用方面。盡管如此，鋰電池存在著一些急需改進(jìn)的缺陷，比如制造成本高，電池壽命短，安全隱患，充電慢等。
[0003]鋰電池問(wèn)題的核心有兩個(gè)，首先是由于電極材料，電解液的化學(xué)特性使得電解液和電極表面的容易接觸不良，即電極不能完全被電解液打濕這一問(wèn)題，使得接觸電阻增加，工藝上需要在高溫條件下長(zhǎng)時(shí)間的真空處理，大大增加了制造成本，這一問(wèn)題也導(dǎo)致電池合格率降低，電池容量下降，壽命簡(jiǎn)短等不良后果。鋰電池的第二個(gè)問(wèn)題是，鋰電池的電流方向是陽(yáng)極到陰極的一維特征導(dǎo)致的問(wèn)題，諸如鋰離子一維擴(kuò)散，電流密度的不均勻性，功率損失，電極接觸電阻增高，鋰離子充放電引起的膨脹，進(jìn)而造成機(jī)械應(yīng)力等。解決這一難題的一個(gè)有效方法是采用三維結(jié)構(gòu)的電極，可以增加表面積，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)，這種方法尚不成熟，和現(xiàn)有工藝的還有沖突。另外利用納米技術(shù)制造的三維電極實(shí)現(xiàn)了充電速度，儲(chǔ)能，壽命上千倍的改進(jìn)，但是和現(xiàn)有的廣泛使用的鋰電池生產(chǎn)工藝不同，也存在量產(chǎn)，成本等因素，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，有必要針對(duì)上述問(wèn)題，提供一種基于超快激光制造三維結(jié)構(gòu)電池的裝置和方法，增加了電池陽(yáng)極和陰極表面積，改進(jìn)電池的電極和電解液接觸和打濕度，并能夠與現(xiàn)有電池生產(chǎn)流程無(wú)縫連接，降低了生產(chǎn)成本，提高了電池質(zhì)量。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0006]—種基于超快激光制造三維結(jié)構(gòu)電池的裝置，包括控制系統(tǒng)和激光系統(tǒng)，所述激光系統(tǒng)用于向電池的電極發(fā)射超快激光，所述控制系統(tǒng)用于控制激光系統(tǒng)發(fā)射的超快激光在電極上形成預(yù)設(shè)三維結(jié)構(gòu)或微納圖案。
[0007]作為優(yōu)選的，所述激光系統(tǒng)包括超快激光發(fā)射器、第一高精度激光掃描器和第一透鏡，所述超快激光發(fā)射器、第一高精度激光掃描器和第一透鏡連接控制系統(tǒng)，所述激光發(fā)射器用于發(fā)射超快激光，所述第一高精度激光掃描器用于接收超快激光并根據(jù)控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)控制超快激光的偏轉(zhuǎn)，所述第一透鏡用于對(duì)偏轉(zhuǎn)后的超快激光聚焦并投射到電極。
[0008]作為優(yōu)選的，所述激光發(fā)射器為飛秒激光發(fā)射器。
[0009]作為優(yōu)選的，所述超快激光波長(zhǎng)為200nm?1600nm。
[0010]作為優(yōu)選的，所述激光系統(tǒng)還包括聲光調(diào)制器和反射鏡系統(tǒng)，所述聲光調(diào)制器連接控制系統(tǒng)，所述聲光調(diào)制器用于控制激光發(fā)射器的開(kāi)關(guān)及發(fā)出超快激光的重復(fù)頻率，所述反射鏡系統(tǒng)用于將超快激光導(dǎo)入到第一高精度激光掃描器。
[0011]作為優(yōu)選的，所述聲光調(diào)制器與反射鏡系統(tǒng)間還設(shè)有分光鏡，并設(shè)有第二高精度激光掃描器和第二透鏡，所述第二高精度激光掃描器和第二透鏡連接控制系統(tǒng)，所述分光鏡用于將所述超快激光分成兩路，其中一路導(dǎo)入所述反射鏡系統(tǒng)，另一路導(dǎo)入到第二高精度激光掃描器和第二透鏡，并經(jīng)第二透鏡投射到電極。
[0012]作為優(yōu)選的，所述第一高精度激光掃描器和第二高精度激光掃描器都為激光掃描振鏡。
[0013]作為優(yōu)選的，所述電極包括電極涂覆層和電極導(dǎo)電背板，所述電極在加工過(guò)程中沿水平方向上運(yùn)動(dòng)。
[0014]一種根據(jù)上述裝置制造三維電池的方法，包括以下步驟:
[0015]S1、通過(guò)激光系統(tǒng)發(fā)射超快激光，并調(diào)整超快激光的重復(fù)頻率，將超快激光作用到電極上；
[0016]S2、控制電極在加工過(guò)程中沿水平方向上快速運(yùn)動(dòng)；
[0017]S3、控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)，控制超快激光在電極涂覆層上形成三維結(jié)構(gòu)或微納圖案。
[0018]作為優(yōu)選的，，所述超快激光為飛秒激光，其重復(fù)頻率小于IMhz。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0020]1、利用超快激光加工，大幅度提高鋰電池性能；
[0021]2、利用超快激光加工表面三維結(jié)構(gòu)，從而增加鋰電池陽(yáng)極和陰極表面積；
[0022]3、利用飛秒激光加工表面微納圖案，從而改進(jìn)鋰電池電極和電解液接觸或打濕度；
[0023]4、超快激光加工系統(tǒng)可以無(wú)縫用于現(xiàn)有鋰電池生產(chǎn)流程，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)量。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的裝置結(jié)構(gòu)框圖；
[0025]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中裝置在電極涂覆層加工圖案的示意圖；
[0026]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中裝置在電極上加工后的三維效果圖；
[0027]圖4是本發(fā)明實(shí)施例2的裝置結(jié)構(gòu)框圖；
[0028]圖5是本發(fā)明實(shí)施例2中兩路激光刻畫(huà)圖形組合示意圖；
[0029]圖6是本發(fā)明實(shí)施例3中的方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述的一種基于超快激光制造三維結(jié)構(gòu)電池的裝置和方法作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0031]以下是本發(fā)明所述的一種基于超快激光制造三維結(jié)構(gòu)電池的裝置和方法的最佳實(shí)例，并不因此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0032]實(shí)施例1
[0033]圖1示出了一種基于超快激光制造三維結(jié)構(gòu)電池的裝置，包括控制系統(tǒng)和激光系統(tǒng)，所述激光系統(tǒng)用于向電池的電極發(fā)射超快激光，所述控制系統(tǒng)用于控制激光系統(tǒng)發(fā)射的超快激光在電極上形成預(yù)設(shè)三維結(jié)構(gòu)或微納圖案。
[0034]在本實(shí)施例中，所述激光系統(tǒng)包括超快激光發(fā)射器、聲光調(diào)制器AOM、反射鏡系統(tǒng)、高精度激光掃描器和透鏡，在本實(shí)施例當(dāng)中，所述超快激光發(fā)射器為飛秒激光發(fā)射器，用于發(fā)射飛秒激光，所述高精度激光掃描器為振鏡系統(tǒng)，所述超快激光發(fā)射器、聲光調(diào)制器AOM、反射鏡系統(tǒng)、振鏡系統(tǒng)和透鏡分別連接控制系統(tǒng)，本實(shí)施例中控制系統(tǒng)采用PC控制。
[0035]在本實(shí)施例當(dāng)中，所述聲光調(diào)制器AOM用來(lái)控制飛秒激光發(fā)射器的開(kāi)關(guān)及飛秒激光的重復(fù)頻率，對(duì)飛秒激光脈沖序列進(jìn)行調(diào)制；反射鏡系統(tǒng)則用于將飛秒激光導(dǎo)入到振鏡系統(tǒng)中，透鏡則用于將通過(guò)振鏡系統(tǒng)處理的飛秒激光聚焦到電極表面，本實(shí)施例中所述透鏡為帶有自聚焦功能的大視角的F-theta透鏡。
[0036]本實(shí)施例中通過(guò)裝置來(lái)制造三維鋰電池，鋰電池電極(陰極，陽(yáng)極)由電極涂覆層(即圖中電極上黑色部分)和電極導(dǎo)電背板(即圖中電極上白色部分)(銅，鋁薄膜)組成。電極涂覆層厚度從幾十到幾百微米，而導(dǎo)電背板在幾十微米以下。電極涂覆層在加工過(guò)程中以一定速度在水平方向運(yùn)動(dòng)，控制系統(tǒng)通過(guò)控制飛秒激光器參數(shù)、AOM脈沖序列、掃描振鏡在電極涂覆層、上形成預(yù)先設(shè)計(jì)的三維結(jié)構(gòu)或微納圖案。圖1中的實(shí)線表示的是信號(hào)連接，箭頭代表的是飛秒激光的線路。
[0037]圖2是經(jīng)過(guò)飛秒激光加工后的三維效果圖，表面的三維結(jié)構(gòu)極大的增加了電極的表面積，同時(shí)可以讓電解液沿著溝槽迅速擴(kuò)散。飛秒加工能夠在材料表面形成更加精細(xì)的納米結(jié)構(gòu)，從而改變電解液和電極的“親和”特性，進(jìn)一步改進(jìn)電解液和電極表面的充分接觸。
[0038]實(shí)施例2
[0039]本實(shí)施例是基于超快激光制造三維結(jié)構(gòu)電池的裝置的另一種實(shí)施方式，包括控制系統(tǒng)和激光系統(tǒng)，所述激光系統(tǒng)用于向電池的電極發(fā)射超快激光，所述控制系統(tǒng)用于控制激光系統(tǒng)發(fā)射的超快激光在電極上形成預(yù)設(shè)三維結(jié)構(gòu)或微納圖案。
[0040]在本實(shí)施例中，所述激光系統(tǒng)包括飛秒激光發(fā)射器，用于發(fā)射飛秒激光，還包括用于控制飛秒激光發(fā)射器的開(kāi)關(guān)及飛秒激光的重復(fù)頻率的聲光控制器Α0Μ，通過(guò)聲光調(diào)制器AOM對(duì)飛秒激光脈沖序列進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)調(diào)制后的飛秒激光通過(guò)一分光鏡分成兩路，其中一路導(dǎo)入反射鏡系統(tǒng)，通過(guò)反射鏡系統(tǒng)反射導(dǎo)入第一高精度激光掃描器和第一透鏡并投射到電極，另一路通過(guò)第二高精度激光掃描器和第二透鏡投射到電極。
[0041 ]在本實(shí)施例中，所述第一高精度激光掃描器和第二高精度激光掃描器都為振鏡系統(tǒng)，所述第一透鏡和第二透鏡都為F-theta透鏡，預(yù)先設(shè)計(jì)的加工參數(shù)分解成控制信號(hào)，控制飛秒激光發(fā)射器，聲光調(diào)制器Α0Μ，兩組振鏡系統(tǒng)和F-theta透鏡在電極涂覆層高速水平運(yùn)動(dòng)條件下，可以獨(dú)立高速地刻畫(huà)平行的傾斜的溝槽，重疊后可以形成所需的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，如圖3所示。
[0042]本實(shí)施例中的裝置的飛秒激光脈沖參數(shù)，掃描系統(tǒng)速度，以及透鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要滿足飛秒加工的，通常飛秒脈沖用300-800飛秒，重復(fù)頻率小于IMhz，波長(zhǎng)1030nm微米的光源，電極表面光斑能量在1-lOOJ/cm2，根據(jù)電極涂覆層的厚度和系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求調(diào)整網(wǎng)格間距或周期在10-200微米，光斑可以根據(jù)電極寬度以及F-theta透鏡設(shè)計(jì)控制在10微米以下，降低飛秒激光加工導(dǎo)致的電極材料損失。飛秒激光發(fā)射器也可以采用更短波長(zhǎng)的飛秒脈沖，通過(guò)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換可以將1030nm光源變成515nm( 二倍頻)，或者343nm(三倍頻)，進(jìn)一步優(yōu)化電極表面三維結(jié)構(gòu)，減少線寬，增加深寬比，達(dá)到增加表面積的目的。
[0043]需要說(shuō)明的是，本發(fā)明中的分光鏡不僅限于將飛秒激光分成兩束，可以分成多束，對(duì)用的同樣可設(shè)置相應(yīng)的多組振鏡系統(tǒng)+透鏡的組合。
[0044]實(shí)施例3
[0045]本發(fā)明還提供了一種基于超快激光制造三維電池的方法，采用實(shí)施例1或2中所述的裝置，包括以下步驟:
[0046]S1、通過(guò)激光系統(tǒng)發(fā)射超快激光，并調(diào)整超快激光的重復(fù)頻率，將超快激光作用到電極上；
[0047]S2、控制電極在加工過(guò)程中沿水平方向上快速運(yùn)動(dòng)；
[0048]S3、控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)，控制超快激光在電極涂覆層上形成三維結(jié)構(gòu)或微納圖案。
[0049]作為優(yōu)選的，，所述超快激光為飛秒激光，其重復(fù)頻率小于IMhz。
[0050]綜上所述，本發(fā)明的有益效果在于:
[0051 ] 1、利用超快激光加工，大幅度提高鋰電池性能；
[0052]2、利用超快激光加工表面三維結(jié)構(gòu)，從而增加鋰電池陽(yáng)極和陰極表面積；
[0053]3、利用飛秒激光加工表面微納圖案，從而改進(jìn)鋰電池電極和電解液接觸或打濕度；
[0054]4、超快激光加工系統(tǒng)可以無(wú)縫用于現(xiàn)有鋰電池生產(chǎn)流程，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)量。
[0055]以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于超快激光制造三維結(jié)構(gòu)電池的裝置，其特征在于，包括控制系統(tǒng)和激光系統(tǒng)，所述激光系統(tǒng)用于向電池的電極發(fā)射超快激光，所述控制系統(tǒng)用于控制激光系統(tǒng)發(fā)射的超快激光在電極上形成預(yù)設(shè)三維結(jié)構(gòu)或微納圖案。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超快激光制造三維結(jié)構(gòu)電池的裝置，其特征在于，所述激光系統(tǒng)包括超快激光發(fā)射器、第一高精度激光掃描器和第一透鏡，所述超快激光發(fā)射器、第一高精度激光掃描器和第一透鏡連接控制系統(tǒng)，所述激光發(fā)射器用于發(fā)射超快激光，所述第一高精度激光掃描器用于接收超快激光并根據(jù)控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)控制超快激光的偏轉(zhuǎn)，所述第一透鏡用于對(duì)偏轉(zhuǎn)后的超快激光聚焦并投射到電極。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于超快激光制造三維結(jié)構(gòu)電池的裝置，其特征在于，所述激光發(fā)射器為飛秒激光發(fā)射器。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于飛秒激光制造三維電池的裝置，其特征在于，所述，所述超快激光波長(zhǎng)為200nm?1600nm。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于超快激光制造三維結(jié)構(gòu)電池的裝置，其特征在于，所述激光系統(tǒng)還包括聲光調(diào)制器和反射鏡系統(tǒng)，所述聲光調(diào)制器連接控制系統(tǒng)，所述聲光調(diào)制器用于控制激光發(fā)射器的開(kāi)關(guān)及發(fā)出超快激光的重復(fù)頻率，所述反射鏡系統(tǒng)用于將超快激光導(dǎo)入到第一高精度激光掃描器。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于超快激光制造三維結(jié)構(gòu)電池的裝置，其特征在于，所述聲光調(diào)制器與反射鏡系統(tǒng)間還設(shè)有分光鏡，并設(shè)有第二高精度激光掃描器和第二透鏡，所述第二高精度激光掃描器和第二透鏡連接控制系統(tǒng)，所述分光鏡用于將所述超快激光分成兩路，其中一路導(dǎo)入所述反射鏡系統(tǒng)，另一路導(dǎo)入到第二高精度激光掃描器和第二透鏡，并經(jīng)第二透鏡投射到電極。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于超快激光制造三維結(jié)構(gòu)電池的裝置，其特征在于，所述第一高精度激光掃描器和第二高精度激光掃描器都為激光掃描振鏡。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于超快激光制造三維結(jié)構(gòu)電池的裝置，其特征在于，所述電極包括電極涂覆層和電極導(dǎo)電背板，所述電極在加工過(guò)程中沿水平方向上運(yùn)動(dòng)。9.一種根據(jù)權(quán)利要求1至8任一所述的裝置制造三維結(jié)構(gòu)電池的方法，其特征在于，包括以下步驟: 51、通過(guò)激光系統(tǒng)發(fā)射超快激光，并調(diào)整超快激光的重復(fù)頻率，將超快激光作用到電極上； 52、控制電極在加工過(guò)程中沿水平方向上快速運(yùn)動(dòng)； 53、控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)，控制超快激光在電極涂覆層上形成三維結(jié)構(gòu)或微納圖案。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述超快激光為飛秒激光，其重復(fù)頻率小于IMhz ο
【文檔編號(hào)】H01M10/058GK105921887SQ201610352246
【公開(kāi)日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年5月25日
【發(fā)明人】曹祥東
【申請(qǐng)人】武漢虹拓新技術(shù)有限責(zé)任公司