Remote laser cutting of lithium-ion and solid-state battery components

Energy storage systems are essential for the transition toward electrification. Lithium-ion batteries (LIBs) are the promising technology for storing electrical energy. However, due to their higher energy density, solid-state batteries (SSBs) are considered the future of electric mobility. The large-scale adoption of both LIBs and SSBs requires flexible, high-quality, and productive manufacturing processes where conventional methods face limitations. This dissertation investigates remote laser cutting as a non-contact manufacturing for battery components and aims to identify a flexible laser system capable of processing a wide range of materials used in LIBs and SSBs. The research focuses on nanosecond (ns)- and picosecond (ps)-pulsed laser systems and covers aluminum and copper foil, cathode and anode, polymer separator, and lithium metal anode. A systematic experimental approach is adopted to analyze laser–matter interaction, cutting quality, and productivity. The first part of the work examines burst-mode ps laser cutting of conventional LIB electrodes, demonstrating that increased pulse repetition rates and optimized burst configurations enhance productivity and cut quality, particularly for metallic foils. The second part addresses the laser cutting of polymer separators, showing that ps-pulsed processing enables clean, melt-free cuts at high speeds due to enhanced effective absorption. The final part focuses on lithium metal anodes with copper current collectors, comparing ns- and ps-pulsed processing strategies and revealing the strong influence of pulse duration and layer sequence on cutting performance and thermal damage. Overall, the findings provide comprehensive guidelines for selecting laser sources and process strategies for next-generation battery manufacturing.

I sistemi di accumulo di energia sono essenziali per la transizione verso l'elettrificazione. Le batterie agli ioni di litio (LIB) rappresentano una tecnologia promettente per l'accumulo di energia elettrica. Tuttavia, grazie alla loro maggiore densità energetica, le batterie allo stato solido (SSB) sono considerate il futuro della mobilità elettrica. L'adozione su larga scala di batterie agli ioni di litio e SSB richiede processi di produzione flessibili, di alta qualità e produttivi, in cui i metodi convenzionali presentano limitazioni. Questa tesi di dottorato studia il taglio laser remoto come metodo di produzione senza contatto per i componenti delle batterie e mira a identificare un sistema laser flessibile in grado di elaborare un'ampia gamma di materiali utilizzati nelle batterie agli ioni di litio e SSB. La ricerca si concentra su sistemi laser pulsati a nanosecondi (ns) e picosecondi (ps) e riguarda fogli di alluminio e rame, catodo e anodo, separatore polimerico e anodo di litio metallico. Viene adottato un approccio sperimentale sistematico per analizzare l'interazione laser-materia, la qualità del taglio e la produttività. La prima parte del lavoro esamina il taglio laser ps in modalità burst di elettrodi LIB convenzionali, dimostrando che l'aumento della frequenza di ripetizione degli impulsi e le configurazioni burst ottimizzate migliorano la produttività e la qualità del taglio, in particolare per i fogli metallici. La seconda parte affronta il taglio laser di separatori polimerici, dimostrando che la lavorazione ps-pulsata consente tagli puliti e senza fusione ad alte velocità grazie a una maggiore assorbenza effettiva. L'ultima parte si concentra sugli anodi di litio metallico con collettori di corrente in rame, confrontando le strategie di lavorazione ns- e ps-pulsata e rivelando la forte influenza della durata dell'impulso e della sequenza degli strati sulle prestazioni di taglio e sul danno termico. Nel complesso, i risultati forniscono linee guida complete per la selezione di sorgenti laser e strategie di processo per la produzione di batterie di nuova generazione.