Ultrafast laser cutting of lithium metal anodes

Abstract The growing demand for electric mobility and, more generally, for high-performance batteries has driven the development of advanced technologies such as all-solid-state batteries, which employ lithium metal anodes to further increase energy density. Previously, lithium metal anodes were cut to size using mechanical tools such as punch dies or scissors. However, due to the adhesive nature of lithium, the material tends to stick to the cutting tools, compromising the quality of the separation. This limitation has motivated the exploration of non-contact separation methods, among which remote laser cutting has emerged as a promising alternative. In the literature, nanosecond and picosecond-pulsed lasers have been used to evaluate the feasibility of laser cutting and to assess the resulting cut quality. In this work, three different laser sources were investigated to identify the most effective solution. A continuous wave laser demonstrated satisfactory productivity and cutting capability without excessive spatter formation; however, the resulting heat-affected zone prompted the investigation of pulsed lasers to minimize thermal effects. The short-pulsed laser achieved slightly lower productivity but produced narrower kerf widths and smaller molten regions due to the reduced heat input. Finally, a femtosecond-pulsed laser was tested in both burst and pulsed modes. The burst mode proved to be the most promising configuration, achieving extremely high cutting speeds, whereas pulsed mode resulted in very low cutting speeds. Therefore, the ultrashort-pulsed laser operating in burst mode was identified as the most promising solution for processing of free-standing lithium metal anodes. To better understand the interaction mechanisms of ultrashort laser pulses, a Two-Temperature Model was developed to interpret the experimental results. The model was effective in explaining the influence of the burst mode in improving process productivity at a fixed power. The process instability at small beam sizes with fs-pulsed laser was attributed to the reclosure of the opened kerf due to the high fluidity and low capillary pressures generated by pure lithium.

La crescente domanda di batterie ad alta capacità, sia per la mobilità elettrica sia per altri settori, ha spinto lo sviluppo di tecnologie avanzate come le batterie allo stato solido, che impiegano anodi in litio metallico. Precedentemente, tali anodi venivano tagliati mediante metodi di separazione meccanica, come la punzonatura o il taglio con forbici. Tuttavia, a causa dell’elevata adesione del litio metallico agli utensili, la qualità del taglio risulta compromessa. Ciò ha reso necessario lo studio di metodi di separazione senza contatto come il taglio laser. In letteratura, gli studi sperimentali hanno utilizzato sorgenti laser pulsate a picosecondi o nanosecondi. In questo lavoro, sono state analizzate tre diverse sorgenti laser per individuare la più promettente. La sorgente laser continua ha mostrato buone prestazioni produttive, raggiungendo velocità di taglio superiori alla soglia industriale, con limitate proiezioni di materiale fuso ma una zona termicamente alterata estesa. Per ridurre la quantità di calore immessa, l’attenzione è stata quindi rivolta alle sorgenti pulsate. Il laser a nanosecondi ha raggiunto velocità inferiori ma con una zona alterata termicamente più contenuta, mentre la sorgente a femtosecondi in modalità burst ha ottenuto delle velocità di taglio estremamente elevate, risultando la soluzione più promettente per il taglio di anodi in litio metallico. In modalità pulsata (non burst), invece, le velocità sono risultate molto ridotte. È stato inoltre osservato un incremento della velocità di taglio all’aumentare del diametro minimo del fascio. Per interpretare i risultati sperimentali del laser a femtosecondi, è stato sviluppato un modello a doppia temperatura. Il modello è stato efficacie nello spiegare l’influenza della modalità burst nel migliorare la produttività del processo a potenza costante. L’instabilità del processo a piccoli diametri di fascio con il laser pulsato a femtosecondi è stata attribuita alla richiusura della fenditura aperta, dovuta all’elevata fluidità e alle basse pressioni capillari generate dal litio puro.