毛细力-蒸气力平衡准则及其在多传感器框架下磷酸铁锂正极激光切割液滴输运中的应用

《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Force-balance criteria for droplet transport in laser cutting of LiFePO? cathodes in a multi-sensor framework

　　

毛细力与蒸气力的平衡主导了LiFePO4（LFP）激光切割过程中的液滴输运行为。本研究从激光功率和扫描速度两个参数出发，识别出三种不同的切割模式。在这三种模式下，临界脱离压力逐渐升高。能量色散X射线光谱（EDS）和飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）分析证实，液滴主要由活性材料形成。此外，背反射信号能够在实时条件下有效区分完全切割与不完全切割。

论文解读文章

研究背景与现存问题

锂离子电池（LIBs）因其高能量密度、低自放电率和良好的能量重量比，已成为电动汽车、消费电子和储能系统的关键技术。其制造过程中，电极生产对降低废料和成本至关重要，正向近零缺陷目标发展。激光材料加工（LMP）作为一种灵活、非接触、高效的电极制造技术，相较于传统机械方法具有无工具化、热影响区（HAZ）小等优势。然而，激光切割LIB电极仍受热致缺陷困扰，特别是沿切边分布的微米级球形液滴缺陷。这些液滴的形态和分布不同于常规焊接中的飞溅现象，其形成机制尚不明确。现有基于金属熔体的力平衡准则（如韦伯数We）能否适用于表面张力更低、润湿性更差的LFP熔体，是一个开放性问题。同时，缺乏能够捕捉快速瞬态现象的在线监测策略，多传感器方法在激光切割中的应用有限。

研究目的

本研究旨在解决两大挑战：（1）验证力平衡液滴输运准则是否适用于低表面张力、弱润湿的熔体体系；（2）利用多传感器光学特征识别单模连续波（CW）激光切割电极的过程模式和切割质量。

主要技术方法

研究人员采用n-light Corona光纤激光器（波长1064nm，最大功率1.2kW）配合2D振镜扫描系统和163mm f-theta聚焦镜，在商用LFP阴极（含93.88wt% LiFePO₄和6.12wt% PVDF/碳黑混合物，双面涂层总厚度约174μm）上进行切割实验。激光功率范围为300-800W，扫描速度为25-400mm/s。监测系统包括高速相机（FASTCAM NOVA S6，帧率90,000fps）记录顶视和侧视图像，以及同轴安装的光电二极管系统（LWM 4.0）采集紫外-可见光（UV-VIS）、激光背反射（~1060nm）和红外（IR，1200-1900nm）三个通道的信号。液滴形貌和成分分析采用立体显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）和飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）。

研究结果

3.1.1 形态与成分分析：研究人员通过SEM测量了所有15种工艺条件下切缝宽度和液滴直径，将液滴分为四个尺寸等级（A: ≤70μm, B: 71-100μm, C: 101-130μm, D: >130μm）。EDS和ToF-SIMS分析确认液滴主要来源于LFP活性材料而非铝集流体。

3.1.2 高速视频分析：顶视高速摄像逐帧追踪了液滴从形成到沿切边拖拽、滚动或位移的全过程，记录了碰撞和合并事件。

3.1.3 液滴输运模型：研究人员建立了毛细力-蒸气力平衡模型，将液滴运动描述为驱动力（蒸气反冲力F_rec和气动阻力F_drag）与阻力（毛细力F_cap和重力F_g）之间的竞争。当蒸气诱导压力超过临界值时，液滴开始移动，从而识别出三种切割模式：从局部大液滴到定向喷射的小液滴。

光电二极管信号分析：研究发现，背反射通道能够独特地区分完全切割与不完全切割，而UV-VIS通道的强度趋势与高速视频观测的发光度变化一致。

讨论与结论

研究人员总结指出，毛细力-蒸气力平衡准则成功推广到了低表面张力、弱润湿的LFP熔体系统，揭示了三种不同的切割模式。随着激光功率增加或扫描速度降低，蒸气压力增大，临界脱离压力相应升高，导致液滴从局部滞留转变为定向喷射。成分分析证实缺陷主要源于活性材料。光电二极管信号，尤其是背反射通道，提供了可靠的实时过程状态判别依据，为工业级激光切割的质量监控提供了新的策略。