1. 激光焊接：工藝壁壘較高，大圓柱等新電池技術(shù)拉動(dòng)焊接量上行
激光技術(shù)具有高效精密、靈活、可靠穩(wěn)定、焊材損耗小、自動(dòng)化和安全程度高 等特點(diǎn)被充分應(yīng)用于鋰電池切割、清洗、焊接、打碼等工序中。根據(jù)激光制造網(wǎng)官 方微信公眾號(hào)信息，在國家政策的大力支持及新能源汽車推廣應(yīng)用進(jìn)程加快的帶動(dòng) 下，中國車用動(dòng)力電池需求大幅增長(zhǎng)。新能源汽車電池、電機(jī)、電控三大核心零部件中，核心部件動(dòng)力鋰電池在整車成本中所占比例高，也直接決定整車?yán)m(xù)航里程。鋰電池的生產(chǎn)制造是由一道道工序連接而成，其生產(chǎn)過程主要分為極片制造、電芯 制作以及電池組裝三部分。鋰電池質(zhì)量直接決定新能源汽車的性能，因此對(duì)其制造 工序有著極高的精度要求。激光技術(shù)作為先進(jìn)的“光”制造工具，以其高效精密、靈活、可靠穩(wěn)定、焊材損耗小、自動(dòng)化和安全程度高等特點(diǎn)，被應(yīng)用于動(dòng)力鋰電池部 件加工的切割、清洗、焊接和打碼等工序中。
2. 激光焊接：工藝壁壘較高，大圓柱等新電池技術(shù)拉動(dòng)焊接量上行
2.1 原理：保障電池安全性，焊接質(zhì)量取決于激光器能量控制與過程 工藝參數(shù)
激光焊接具有熔深深、速度快、變形小等諸多優(yōu)點(diǎn)，可大幅提升動(dòng)力電池的安 全性。根據(jù)聯(lián)贏激光招股說明書，激光焊接作為一種現(xiàn)代焊接技術(shù)，具有熔深深、 速度快、變形小、對(duì)焊接環(huán)境要求不高、功率密度大、不受磁場(chǎng)的影響、不局限于 導(dǎo)電材料、不需要真空的工作條件并且焊接過程中不產(chǎn)生 X 射線等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于高端精密制造領(lǐng)域，尤其是新能源汽車及動(dòng)力電池行業(yè)。動(dòng)力電池焊接部位 多、難度大、精度要求高，動(dòng)力電池廠商對(duì)電池生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化、安全性、精密性、加工效率的要求也高。激光焊接技術(shù)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)可大幅提升電池的安全性、可 靠性、一致性，降低成本，延長(zhǎng)使用壽命，成為了動(dòng)力電池廠商最優(yōu)的選擇。性、 可靠性、一致性，降低成本，延長(zhǎng)使用壽命，成為了動(dòng)力電池廠商最優(yōu)的選擇。
決定激光焊接質(zhì)量的主要核心要素為激光器能量控制及焊接工藝技術(shù)。①激光器能量控制：根據(jù)聯(lián)贏激光招股說明書，由于被焊接的材料對(duì)不同波 長(zhǎng)激光的吸收率不同(可以從 5%到 50%不等)，激光器選擇不同，焊接效果完全不同。為了對(duì)焊件輸出統(tǒng)一、穩(wěn)定的焊接激光束，就需要激光輸出功率具有良好的一 致性或者能夠精確控制激光輸出功率，功率過低會(huì)導(dǎo)致焊接熔融不足而影響焊接質(zhì) 量，功率過高或上下波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致飛濺、氣孔等不良效果。因此，激光器能量的控制 就成為激光焊接最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。
?、诤附庸に嚰夹g(shù)：根據(jù)聯(lián)贏激光招股說明書，激光與物質(zhì)的作用過程較為復(fù) 雜，激光焊接效果與激光波長(zhǎng)、功率密度大小、焊接時(shí)間、焊接頭角度、焦點(diǎn)距離、焊件對(duì)激光的吸收率及清潔程度、焊件的厚度及導(dǎo)熱性能、保護(hù)氣體類型及流 量等數(shù)十種因素有關(guān)。因此，激光焊接工藝技術(shù)也是影響焊接質(zhì)量關(guān)鍵的因素之 一，需要激光焊接工藝技術(shù)人員不斷摸索總結(jié)，長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)積累才能夠獲得良好的焊接效果。
按照工作原理焊接可分為五種類型，根據(jù)不同的應(yīng)用要求選取不同的焊接方式，以達(dá)到最佳效果。根據(jù)聯(lián)贏激光招股說明書，根據(jù)工作原理的不同，適配不同 的加工場(chǎng)景，激光焊接可分為熱傳導(dǎo)焊、深熔焊、復(fù)合焊接、激光釬焊和激光傳導(dǎo) 焊接五種。根據(jù)不同的客戶、不同的加工應(yīng)用場(chǎng)景，選取合適的焊接方式，以達(dá)到 最佳的焊接效果。
2.2 應(yīng)用現(xiàn)狀：電芯制造、PACK 焊接價(jià)值量約 1000-3000 萬/GWh
在動(dòng)力電池的生產(chǎn)中使用激光焊接的環(huán)節(jié)在電芯制造環(huán)節(jié)與電池 PACK 環(huán)節(jié)。根據(jù)聯(lián)贏激光官網(wǎng)信息，在動(dòng)力電池的生產(chǎn)中，使用激光焊接的環(huán)節(jié)主要包括：①中道工藝：極耳的焊接(包括預(yù)焊接)、極帶的點(diǎn)焊接、電芯入殼的預(yù)焊、外 殼頂蓋密封焊接、注液口密封焊接等;②后道工藝：包括電池 PACK 模組時(shí)的連接片焊接，以及模組后的蓋板上的防爆閥焊接等。
前激光焊價(jià)值量約為 1000-3000 萬元/GWh。根據(jù)聯(lián)贏激光招股說明書，激光焊接設(shè)備在動(dòng)力電池廠商投入中約占比 5-15%，根據(jù)高工鋰電官網(wǎng)信息，按照動(dòng)力電 池單 GWh 設(shè)備投資額約為 2 億元測(cè)算，目前動(dòng)力電池激光焊接設(shè)備單 GWh 投入在 1000 萬元至 3000 萬元。
2.3 需求：全球“缺芯”下半導(dǎo)體廠擴(kuò)大資本開支，設(shè)備景氣度持續(xù)上行
4680 大圓柱對(duì)激光工藝要求更高，且相比方形電池、小圓柱電池焊接量有望 上行。1)4680 電池對(duì)激光工藝求要求更高，極耳形態(tài)不受控制是工藝難點(diǎn)。根據(jù)華 經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院官網(wǎng)信息，4680 電池采用全極耳工藝，打破了傳統(tǒng)電池一正一負(fù)兩個(gè) 極耳的模式，其工藝難點(diǎn)在于極耳形態(tài)不受控，易發(fā)生短路，制造時(shí)兩段封閉，電 解液滲入阻礙大，并且多極耳很難折疊整齊，對(duì)激光工藝要求更高。2)4680 大圓柱電池激光焊接相比方形電池、小圓柱電池分別在焊接工序、所需焊接設(shè)備上有所增加。根據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院官網(wǎng)信息，1)相比方形電池，大圓 柱的全極耳所需的面焊，其激光焊接工序從 5 道增加至 7 道;2)從小圓柱電池看， 單 GWh 相較于 18650 和 21700 電池產(chǎn)線增加 5 臺(tái)焊接設(shè)備。結(jié)合上述情況，我們 認(rèn)為，4680 大圓柱的激光焊接需求相比方形電池、小圓柱電池有望增長(zhǎng)。
其他焊接環(huán)節(jié)技術(shù)：解決異種金屬焊接問題，比如電池 PACK 中匯流排焊接有 望替代為激光焊接，我們判斷，隨著激光焊接工藝不斷上行，激光焊接滲透率有望 上行。以方形電池后道模組/PACK 中匯流排焊接存在的 Al/Cu 異質(zhì)金屬焊接為例：①Al、Cu 對(duì)光吸收率低，且容易產(chǎn)生高脆性金屬化合物是 Al/Cu 難點(diǎn)：根據(jù) 《汽車電池模組件 Al/Cu 異種金屬激光焊接技術(shù)新進(jìn)展》，由于 Al 和 Cu 的材料物理 性能迥異，Al/Cu 異種金屬激光焊接具有若干挑戰(zhàn)性的限制。一個(gè)主要是在 1um 的 激光波長(zhǎng)下 Al 的吸收率低，而 Cu 的吸收率更低;另一個(gè)挑戰(zhàn)來自 Al-Cu 合金的冶 金性能，即高脆性的金屬化合物可能導(dǎo)致裂紋的形成?？赡苄纬蒀u含量為50%-80% 的金屬間化合物相。
匯流排焊接目前激光焊接仍無法解決脆性化合物問題，但激光焊接為大概率方 向。根據(jù)聯(lián)贏激光官網(wǎng)，由于銅和鋁之間采用激光焊接后易形成脆性化合物，無法 滿足使用要求，通常采用超聲波焊接外，銅和銅、鋁和鋁一般均采用激光焊接。同 時(shí)，由于銅和鋁傳熱均很快，且對(duì)激光反射率高，連接片厚度相對(duì)較大，因此需要 采用較高功率的激光器才能夠?qū)崿F(xiàn)焊接。通過九種不同參數(shù)及方法的調(diào)整實(shí)驗(yàn)，其 中 7 種有不同增益，我們認(rèn)為，隨著未來激光工藝的不斷進(jìn)步，匯流排 Al/Cu 激光 焊接存在問題有望得到解決，激光焊接為大概率方向。
3. 激光切割：極片激光切割替代加速，高倍率電池推動(dòng)極耳/極片切割量提升
3.1 優(yōu)勢(shì)：較模切具精確度更高、運(yùn)營成本較低等優(yōu)勢(shì)，助力電池生 產(chǎn)提效降本
激光切割技術(shù)可應(yīng)用于鋰電池制造過程中的極耳切割成型、極片分切以及隔膜 分切等工序，相比模切，激光切割具有精確度更高、運(yùn)營成本較低等優(yōu)勢(shì)，有助于 電池生產(chǎn)提效降本。根據(jù)維科網(wǎng)鋰電官方微信公眾號(hào)信息，傳統(tǒng)模切會(huì)不可避免地 出現(xiàn)磨損，粉塵掉落并產(chǎn)生毛刺，進(jìn)而引起電池過熱、短路、甚至爆炸等各類危險(xiǎn) 問題。為了避免鋰電池加工品質(zhì)不佳造成的危險(xiǎn)，使用激光進(jìn)行切割更適合。與傳 統(tǒng)的機(jī)械切割相比，激光切割擁有無物理磨損、切割形狀靈活、邊緣質(zhì)量控制、精 確性更高和運(yùn)營成本較低等優(yōu)勢(shì)，有利于降低制造成本、提高生產(chǎn)效率、大幅縮短 新產(chǎn)品模切周期。
3.2 極耳切割：激光切割為主流技術(shù)，放卷速度與張力控制是競(jìng)爭(zhēng)要點(diǎn)
激光極耳成型是目前主流技術(shù)，工藝參數(shù)、控制系統(tǒng)、切割工位設(shè)計(jì)決定切割 的速度和質(zhì)量。根據(jù)利元亨官網(wǎng)信息，傳統(tǒng)上極耳成型主要使用機(jī)械模切工藝。機(jī) 械模切工藝有模具損耗快、換模時(shí)間長(zhǎng)、靈活性差和生產(chǎn)效率低等局限性，已經(jīng)越 來越不能滿足鋰電池制造的發(fā)展要求。由于激光切割技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，隨著高功 率、高光束質(zhì)量納秒激光器、單模連續(xù)光纖技術(shù)的成熟，目前激光極耳切割逐漸成 為極耳成型技術(shù)的主流。穩(wěn)定的放卷速度、張力及極片寬度方向位置控制，精確穩(wěn) 定的放卷速度、張力和糾偏控制是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量高速度極耳成型的基礎(chǔ)。以海目星為例，根據(jù)維科號(hào)官網(wǎng)引用第二屆新能源汽車及動(dòng)力電池國際交流會(huì) 中海目星軟件專家苗健燁的演講內(nèi)容，海目星擁有獨(dú)家集成化張力技術(shù)，是由驅(qū)動(dòng) 和反饋系統(tǒng)構(gòu)成，整個(gè)反饋系統(tǒng)結(jié)合了整體帶入實(shí)時(shí)的趨勢(shì)，采用理論算法和實(shí)際 反饋閉環(huán)相結(jié)合的開發(fā)理念，將驅(qū)動(dòng)性能和調(diào)解性能銜接為一體，張力波動(dòng)可以控 制在 2%以內(nèi)，以及多樣切割兼容技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)飛行切割一鍵換行，滿足了客戶定 制化的需求。
3.3 極片切割：傳統(tǒng)模切效率成產(chǎn)線提效瓶頸，MOPA 技術(shù)兼具成本與性能優(yōu)勢(shì)
圓盤分切和模切品質(zhì)量不穩(wěn)定;激光能量和切割移動(dòng)速度是兩個(gè)主要的工藝參 數(shù)。根據(jù)動(dòng)力電池網(wǎng)信息，極片切割有圓盤分切和模切、激光切割三種方式，圓盤 分切和模切都存在刀具磨損問題，這容易引起工藝不穩(wěn)定，導(dǎo)致極片裁切品質(zhì)差， 引起電池性能下降;激光能量和切割移動(dòng)速度是兩個(gè)主要的工藝參數(shù)，對(duì)切割質(zhì)量 影響巨大。當(dāng)激光功率太低或者移動(dòng)速度太快時(shí)，極片不能完全切開，而當(dāng)功率太高或移動(dòng)速度太低時(shí)，激光對(duì)材料作用區(qū)域變大，切縫尺寸更大。
MOPA 是一種激光調(diào)制技術(shù)，兼具高峰值功率和高光束質(zhì)量的最優(yōu)方式，杰普 特獲寧德時(shí)代定點(diǎn)。根據(jù)高工鋰電官網(wǎng)信息，目前杰普特特殊定制的極片切割脈沖 光纖激光器，產(chǎn)線切割效率可達(dá) 120m/min，切割毛刺小于 7μm，熱影響區(qū)小于 50μm，也是市場(chǎng)唯一一款真正做到無毛刺無熱影響的激光器，變頻、變功率響應(yīng) 時(shí)間最快<10μs，可有效減少拐角銜接處參數(shù)變化帶來的質(zhì)量問題。根據(jù)杰普特 《關(guān)于收到供應(yīng)商定點(diǎn)通知的公告》，2022 年 3 月 22 日，杰普特公告收到寧德時(shí)代 定點(diǎn)通知，提供 MOPA 脈沖光纖激光器，應(yīng)用于動(dòng)力電池電芯制造的極片切割工 序。根據(jù)英諾激光招股說明書，MOPA 技術(shù)是將具有高光束質(zhì)量的種子信號(hào)光和泵 浦光，通過一定的方式耦合進(jìn)雙包層光纖進(jìn)行放大，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)種子光源的高功率 放大;激光器的 MOPA 結(jié)構(gòu)是解決超快激光兼具高峰值功率和高光束質(zhì)量的最優(yōu)方式。
皮秒是長(zhǎng)期最優(yōu)選擇，MOPA 是目前最具性價(jià)比選擇。根據(jù)《鋰離子動(dòng)力電池 極片的激光切割分析》，除了脈寬外，重復(fù)頻率、光束模式、激光波長(zhǎng)也對(duì)切割質(zhì) 量有影響。因此窄脈寬、高重復(fù)頻率的皮秒激光器是切割鋁箔和銅箔最理想的激光 器。但由于皮秒技術(shù)未完全成熟，價(jià)格還很高，難以工業(yè)推廣。而脈寬相對(duì)“窄”的 MOPA 激光器價(jià)格低廉，切割的正極片也完全滿足工業(yè)要求，是切割正極片性價(jià)比 最高的激光器，隨著其脈寬的減少和頻率的增加，其應(yīng)用前景會(huì)越來越好。
3.4 隔膜切割：隔膜激光切割仍在布局階段，熱影響控制是難點(diǎn)
隔膜切割目前以刀具切割為主，目前已有兩項(xiàng)激光切割技術(shù)專利。根據(jù)專利之 星檢索系統(tǒng)信息：①專利一：根據(jù)《一種隔膜激光切割機(jī)》專利內(nèi)容，隔膜的切 割通常以鋼材質(zhì)隔膜切刀進(jìn)行切割。采用隔膜切刀切割，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，切刀需要定期更換，隔膜切口處的效果不好，容易起毛刺或卷翹，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便調(diào)試和 維護(hù)。通過激光切割可解決以上問題;②專利二：根據(jù)《鋰電池隔膜生產(chǎn)用激光切割設(shè)備》專利內(nèi)容，通過激光切割組件切割由翻轉(zhuǎn)輥交替切換兩個(gè)隔膜卷曲組件 卷繞的隔膜，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化均勻切割隔膜的功能，避免了切割過程中的脫粉、挑絲、碎膜以及切不斷的現(xiàn)象，便于在批量生產(chǎn)線中實(shí)用。
熱影響控制仍是難點(diǎn)，紫外激光存在替代傳統(tǒng)模切可能。根據(jù)存能電氣官網(wǎng)信 息，鋰離子電池隔膜 PP 膜與 PE 膜兩者的熔點(diǎn)不同，PE 隔膜在 130℃左右，PP 隔膜 在 160℃左右。根據(jù)英諾激光招股說明書，在薄膜非金屬材料加工等領(lǐng)域，高能量 的紫外光子直接破壞非金屬材料表面的分子鍵，使分子脫離物體，這種方式不會(huì)產(chǎn) 生高熱量反應(yīng)，因此通常被稱為“冷加工”，紫外激光機(jī)在微加工領(lǐng)域具有不可替代 的優(yōu)勢(shì)。我們判斷，在目前仍是模切為主的隔膜切割環(huán)節(jié)，由于隔膜較低的熔點(diǎn)導(dǎo) 致激光切割熱影響控制仍是難點(diǎn)，紫外激光以“冷加工”的優(yōu)勢(shì)存在替代傳統(tǒng)模切可 能。
3.5 疊片工藝技術(shù)：有望帶來激光切割需求增加
方形疊片工藝中激光極耳、極片切割需求有望增加。根據(jù)格普瑞電池官網(wǎng)信 息，方形疊片法由于各個(gè)正負(fù)極片之間互相隔絕，所以每個(gè)極片都要安裝一個(gè)極 耳，然后分別焊接在一起，形成最終的正負(fù)極，但卷繞法為了減少工序，只會(huì)隔幾 層才安裝一個(gè)極耳，總數(shù)通常只有前者的一半?；谝陨锨闆r，我們判斷，疊片工 藝相比卷繞工藝，極耳數(shù)量增加一倍，疊片工藝下極耳切割需求量預(yù)計(jì)上行，同時(shí) 疊片工藝需要多次裁切正負(fù)極片(熱復(fù)合技術(shù)工藝)，極片切割需求也會(huì)有所增 加。
4. 其他應(yīng)用：激光清洗、激光打標(biāo)
4.1 激光清洗：避免清洗損傷等問題，提升電池制造工藝水平
極片涂覆前激光清洗可以有效避免原濕式乙醇清洗造成的損傷;電池焊接前激 光清洗采用脈沖激光使基底受熱震動(dòng)膨脹令污染物克服表面吸附力脫離基底達(dá)到去 污的作用;電池組裝過程中激光清洗可對(duì)絕緣板、端板進(jìn)行激光清洗，清潔電芯表面臟污，粗化電芯表面，提高貼膠或涂膠的附著力。根據(jù) C114 通信網(wǎng)官網(wǎng)信息：極片涂覆前：鋰電池的正負(fù)極片是在金屬薄帶上涂覆鋰電池正負(fù)極材料而成， 金屬薄帶在涂覆電極材料時(shí)，需要對(duì)金屬薄帶進(jìn)行清洗，金屬薄帶一般為鋁薄或銅 薄，原來的濕式乙醇清洗，容易對(duì)鋰電池其他部件造成損傷。激光干式清洗機(jī)能夠 有效解決以上問題。
電池焊接前：根據(jù) C114 通信網(wǎng)官網(wǎng)信息，采用脈沖激光直接輻射去污，使其 表面溫度升高而發(fā)生熱膨脹，熱膨脹使污染物或者基底振動(dòng)，從而使污染物克服表 面吸附力脫離基底表面從而達(dá)到去除物體表面污漬的目的。這種方式可以有效地去 除電芯極柱端面的污物、粉塵等，為電池焊接提前做準(zhǔn)備，以減少焊接的不良品。電池組裝過程中：根據(jù) C114 通信網(wǎng)官網(wǎng)信息，為了防止鋰電池發(fā)生安全事故，一般需要對(duì)鋰電池電芯進(jìn)行外貼膠處理，以起到絕緣的作用，防止短路的發(fā)生 以及保護(hù)線路、防止刮傷。對(duì)絕緣板、端板進(jìn)行激光清洗，清潔電芯表面臟污，粗 化電芯表面，提高貼膠或涂膠的附著力，且清洗后不會(huì)產(chǎn)生有害污染物，屬于環(huán)保 的綠色清洗方法，這在全球高度關(guān)注環(huán)保的情況下越發(fā)顯出它的重要性。
4.2 激光激光打標(biāo)：為動(dòng)力電池提供更高效安全的信息追蹤可能
傳統(tǒng)打標(biāo)技術(shù)缺點(diǎn)明顯。根據(jù)奇銘激光科技官網(wǎng)信息，傳統(tǒng)的打標(biāo)技術(shù)有幾 種，分別是噴墨打標(biāo)、鋼針雕刻打標(biāo)、貼紙標(biāo)識(shí)等，但這些方式都有對(duì)應(yīng)的工藝缺 陷，例如噴墨打標(biāo)需要耗材，噴后墨水沒干進(jìn)行其他工序會(huì)有掉色可能等;鋼針雕 刻速度較慢加工效率低等，由此應(yīng)運(yùn)而生的新型技術(shù)便是激光打標(biāo)技術(shù)。
安全性上均有不同程度提升。根據(jù)楚天中谷聯(lián)創(chuàng)官網(wǎng)信息，為更好的把控產(chǎn)品 品質(zhì)，追溯鋰電池的全程生產(chǎn)信息，包括原料信息、生產(chǎn)過程和工藝、產(chǎn)品批次、 生產(chǎn)廠家及日期等，需要將關(guān)鍵信息存儲(chǔ)在二維碼內(nèi)并在電池上進(jìn)行標(biāo)識(shí)。傳統(tǒng)的 油墨噴打碼技術(shù)存在易摩擦，長(zhǎng)時(shí)間容易缺失信息等問題，而激光打標(biāo)具有永久性 強(qiáng)、防偽性高、精度高、耐磨性強(qiáng)、安全可靠等特點(diǎn)，可以為產(chǎn)品品質(zhì)追蹤提供最 佳的解決方案。
來源：激光行業(yè)觀察