姚金健，单 伟，李孝雪，朱志阳

（合肥国轩高科动力能源有限公司，安徽合肥 230000）

0 引言

锂电池激光制片工艺是锂电池生产中的核心环节。激光制片就是采用激光切割技术[1-2]，对铜铝箔为基层的极片进行切割，此过程会产生大量的飞溅粉尘，产生的粉尘若处理不清，会随极片卷入电芯内部，可能刺穿电芯绝缘隔膜，形成短路，甚至导致电池热失控。因此，在激光切割过程中需要对飞溅的粉尘进行阻断除尘清理。

近年来，随着市场对锂电池各项性能要求的提高，尤其是对电芯制作过程中粉尘控制在10 万级以下洁净度时，行业内通常采用的负压吸尘系统除尘越来越难以满足现实需求。因此，利用风刀阻断加负压吸尘的洁净技术应运而生[3]。目前，此技术用于锂电池激光切割极片除尘的相关研究尚处于起步阶段，基于此，本文分析激光切粉尘来源，参考风刀除尘优点并结合传统的负压除尘技术[4-5]，开发出新的激光焊风幕阻断负吸除尘系统[6]。利用ANSYS Fluent 软件对除尘系统腔体结构[7]流体进行仿真模拟，研究新的系统除尘方案，并实际制作试样验证除尘效果，对激光焊风幕阻断负吸除尘系统进行初步评价，进一步丰富锂电池激光焊除尘技术。

1 粉尘来源分析与验证

1.1 粉尘原因分析

初步推测，锂电池激光切[8]工序锂电池极片粉尘来源主要有3 种来源[9]：①激光切后的焊渣飞溅到锂电池极片表面，利用粉尘粘附性粘附到锂电池极片表面的普通粉尘；②激光切的部分焊渣带电荷，粘附到锂电池极片表面，在静电力作用下形成的带电粉尘；③激光焊切时未凝固的熔珠，飞溅到锂电池极片上遇冷凝固，形成凝固熔珠（表1）。

表1 粉尘来源

1.2 粉尘来源验证

为验证上述分析，采用2 组实验分别对粉尘来源进行验证。选取普通激光切后的锂电池极片，裁切成大小相等的极片，均分后分为3 组。

实验1：对极片表面进行风刀除尘，风速15 m/s，然后利用金相显微（200×）分析极片表面除尘颗粒数量，前后对比（图1）。

图1 金相显微（实验1）

实验2：先对极片表面进行风刀除尘，风速15 m/s，再吹离子风，除静电后，再次进行风刀除尘。金相显微（200×）分析除静电后，风刀除尘前后的粉尘颗粒数量（图2）。

图2 金相显微（实验2）

实验3：对实验2 的锂电池极片进行酒精擦拭除尘，并进行对比。

通过3 组实验验证结果发现：

实验1：普通的风刀除尘前极片上粉尘颗粒为13 个；风刀除尘后，极片上剩余粉尘颗粒减少到7 个，说明激光切后极片上确实存在普通的粘附粉尘。

实验2：在除静电后，对比风刀除尘后的粉尘颗粒物数量发现，静电除尘前的极片上粉尘颗粒是8 个，在静电除尘后，降至3 个左右，说明存在带电粉尘，由于静电的作用，粉尘颗粒粘附性增大，普通风刀无法除尘。

实验3：经过酒精擦拭除尘后，仍有粉尘颗粒粘附其上，说明激光切后的极片上存在凝固的熔珠。

上述实验结果表明，激光切后的粉尘主要由普通粉尘、带电粉尘及熔珠组成。

2 除尘方案及分析

2.1 除尘系统结构及工作原理

激光焊除尘采用盒式结构，将整个锂电池极片激光切工位包络在内，整体结构主要由侧吸尘罩、下吸尘罩、上、下风腔以及上、下正压风刀等结构组成（图3）。装置中，上、下风腔正压吹风，从辅料侧吹向极耳侧，隔绝粉尘外溢，形成空气隔绝效果；正压上、下风刀分别在极片上、下表面，从辅料侧往极耳侧进行吹风，将极片表面的粉尘、除尘盒腔体里的粉尘以及激光切割产生的箔材碎屑往极耳侧吹；在极耳侧激光切割处有负压侧吸风以及负压下吸风除尘装置，可以将激光切割产生的箔材碎屑吸走，并且将正压吹过来的粉尘一并吸走，下吸风可以将落下来的大颗粒粉尘吸走。

图3 除尘系统结构原理

2.2 除尘计算分析

利用ICEM CFD 对流体域模型进行网格划分，并导入FLUENT求解器计算。考虑到流场流动复杂，可能存在旋流、分离流、二次流、射流撞击等现象，本文采用两个方程的Realizable k-e 湍流模型。运用SIMPLEC 分离算法可加快迭代收敛速度。最后利用CFD-Post 提取计算结果云图和流线图，直观、清晰地呈现分析结果。

2.2.1 建立有限元模型

考虑到实际工况，为确保仿真模拟时气流充分发展，应在激光切割腔体四周与大气连通处建立拓展区域。对研究的流体域模型进行网格划分（图4）。

图4 有限元模型

为减小计算时间成本，采用全四面体网格划分。为提高求解精度和收敛性，对网格光滑处理。网格类型为全四面体，包括11511922 个单元、2044413 个节点。

2.2.2 边界条件及相关物理参数

设定前切割组件内部流场分析的相关物理参数与边界条件：流体连通大气拓展区定义其为Pressure-inlet 类型，入口压力为0；上、下风刀口边界定义为Velocity-inlet 类型，出口风速为15 m/s；上、下风腔边界定义为Velocity-inlet 类型，风速为20 m/s；正面、侧面吸尘罩管道口定义其为Velocity-inlet 类型，出口风速分别为10 m/s、23 m/s；流体域与管道接触边界定义其为wall类型壁面边界条件。环境温度为22 ℃。

2.2.3 仿真结果与分析

在速度流线图中可以看到流场分布趋势，管道内最高速度约32 m/s，在弯管曲率较大的区域。整个腔内流场较为均匀（图5）。

图5 正面速度流线图

从速度流线图中可以看到，侧吸尘罩与切割腔体连接处产生局部涡流，形成回流区域（图6）。

图6 侧面速度流线图

在流线图中可以清晰看到压强在流场中分布趋势（图7）。腔内整体呈现负压，上、下腔区域负压（黄色区域）在-15 Pa 左右。对比图6 可知，上、下腔区域压强基本相同。

图7 压强流线图

在速度矢量图中，可以看到流场中气流流动方向（图8）。为了进一步观察流动特征，取一中间截面的速度云图和矢量图进行分析（图9～图10）。

图8 速度矢量图

图9 中间截面内速度云图

图10 中间截面内速度矢量图

综上仿真结果分析：按照上述边界条件分析，管道内最高速度约为32 m/s，在弯管曲率较大的区域，可以有效地带走管道弯曲处激光切粉尘，防止管道堵塞。切割口区域流场较为均匀，速度约在6～7 m/s 范围，能保证切割平稳性，防止极片抖动，同时能快速降低激光切后飞溅的焊渣在腔体内问题，在腔体内实现冷却。腔内整体呈现负压，上、下腔区域负压（黄色区域）在-15 Pa 左右；最大负压为-863 Pa，在弯管曲率较大的区域，形成有效的吸附作用，将激光焊粉尘全部吸入除尘管道内。

3 实验验证与讨论

从图11 、图12 可以看出，在除尘系统未启动前，激光切极片上的灰尘颗粒数在8～13 个，均值为10.5 个；启动除尘系统后，激光切极片上的灰尘颗粒显著下降，灰尘颗粒数在0～3个，均值1.3 个，证明除尘系统能有效去除极片上的大部分灰尘颗粒，防止激光切焊渣和熔珠落入极片表面，除尘效果比较明显。

图11 除尘前后金相分析图（200×）

图12 除尘前后灰尘颗粒数对比

4 结束语

通过金相显微分析对比，确认激光切后的粉尘主要由普通粉尘、带点粉尘以及熔珠颗粒组成。对新的激光焊风幕阻断负吸除尘系统进行内部气流流体仿真分析，仿真结果表明：在弯管曲率较大的区域，除尘系统可以有效带走管道弯曲处激光切粉尘，防止管道堵塞。制作除尘系统样机，模拟实际工况环境进行，实验验证表明新的除尘系统能有效去除极片上的大部分灰尘颗粒，防止激光切焊渣和熔珠落入极片表面。综上所述，新的激光焊风幕阻断负吸除尘系统能够满足设计要求。