High speed remote laser cutting of lithium-ion battery electrodes

A modern lithium-ion battery consists of two electrodes: anode and cathode. The anode is composed by an internal layer of copper, double-coated by two layers of graphite, whereas the cathode is composed by aluminium covered by two layers of lithium metal oxides. Conventionally, these electrodes are processed at 1 m/s speed by die cutting or fine blanking. To increase the work -rate of the production line and, at the same time, to overcome the drawbacks of conventional technologies such as, among others, tool’s wear, down-times and instability of the quality, remote laser cutting is taking hold as the new leading technology. The electrodes used in this work, are composed as follows: the anode is made of 30μm of copper coated by two layers of 48μm each of graphite, whilethe cathode is made of 21μm of aluminium coated by two layers of 26μm each of LiMO. The electrodes have been processed with two laser systems which cover two extreme possibilities and their results have been compared. The first system is a single-mode continuous wave laser system, characterized by small spot beam diameter and fast scanning speeds, whereas the second one is a picosecond pulsed ultra-fast innovative laser, characterized by high power and burst operating mode that have never been tested before. Single pass cuts have been performed in order to find the feasibility window for the two systems and the maximum speed as function of the power level to obtain a marked and efficient material separation. Finally, the quality of the kerf has been analysed and compared between the two systems and different conditions for each system. In particular, the clearance width must be kept under control since the good quality of the cut of the electrodes is required to prevent internal short circuits, thermal stress, significant heat generation, and other phenomena that can all lead to battery’s failure. Analytical models like lumped heat capacity model, ablation threshold and damage accumulation model, have been used for the comprehension of the materials behaviour.

Una moderna batteria agli ioni di litio è composta da due elettrodi: anodo e catodo. L'anodo è composto da uno strato interno di rame, rivestito su entrambi i lati da grafi te, mentre il catodo è composto da alluminio ricoperto da entrambi i lati da uno strato di ossidi metallici di litio. Convenzionalmente, questi elettrodi vengono lavorati alla velocità di 1 m/s mediante fustellatura o tranciatura fine. Per aumentare il ritmo di lavoro della linea di produzione e, allo stesso tempo, per superare gli inconvenienti delle tecnologie convenzionali come per esempio, l'usura degli utensili, i tempi morti e l'instabilità della qualità, il taglio laser remoto sta prendendo piede come nuova tecnologia leader. In particolare, gli elettrodi che sono stati utilizzati in questo lavoro, sono così composti: l'anodo è costituito da 30 μm di rame rivestito da due strati di 48 μm ciascuno di grafi te, mentre il catodo è costituito da 21 μm di alluminio rivestito da due strati di 26 μm ciascuno di LiMO. Gli elettrodi sono stati lavorati con due sistemi laser che vanno a coprire due possibilità estreme e i loro risultati sono stati confrontati. Il primo è un sistema laser continuo a singolo modo, caratterizzato da un diametro del fascio ridotto e da velocità di scansione elevate, mentre il secondo sistema è un innovativo laser ultraveloce pulsato a picosecondi, caratterizzato da un'elevata potenza e modalità di funzionamento burst mai testate prima. In questo progetto sono stati eseguiti tagli con singola passata per trovare la finestra di fattibilità dei due elettrodi e la velocità massima in funzione del livello di potenza per ottenere una separazione del materiale marcata ed efficiente. Infine, è stata analizzata e confrontata la qualità del taglio tra i due sistemi e le diverse condizioni per ciascun sistema. In particolare, deve essere tenuta sotto controllo la larghezza di delaminazione poiché la buona qualità del taglio degli elettrodi è necessaria per prevenire cortocircuiti interni, stress termici, generazione di calore significativa e altri fenomeni che possono portare al guasto della batteria. Infine, per la comprensione del comportamento dei materiali sono stati utilizzati modelli analitici come il modello di capacità termica concentrata, la soglia di ablazione e il modello di accumulo del danno.