利用空间光调制器扩展电动汽车应用中的超短脉冲激光成型工艺

利用超短激光脉冲对锂电池（LIB）电极和聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）的扩散介质（DM）进行结构化处理，可以提高这两种技术的性能特征。然而，由于超短脉冲（USP）激光源的平均输出功率较低，而且使用扫描光学进行单光束构造的生产率有限，因此一直阻碍着这些方法从实验室规模向商业用途的转移。最近，超短脉冲激光系统的开发取得了进展，可用输出功率稳步提高，从而使新的应用领域成为可能。

本研究旨在通过比较单光束和多光束结构化工艺的烧蚀特性和质量，将用于聚合物电解质膜燃料电池的锂电池电极和扩散介质的超短脉冲激光结构化，加速到工业相关的加工速率。在多光束策略中，激光束的形状由空间光调制器（SLM）改变。除了微孔之外，还研究了微通道的插入，以展示最先进空间光调制器的高度灵活性。

使用激光扫描显微镜测量了所创建结构的几何形状，并对不同层的几何形状和电化学特性进行测试，以比较这两种技术。结果证实，应用空间光调制器可以获得高质量的微结构，且结构化率明显更高。此外，本文还对激光装置所需的规格进行了理论分析，以达到与工业相关的结构化工艺生产率。

 

I.引言和技术现状

锂电池和氢动力聚合物电解质膜燃料电池，被认为是改变能源和移动领域的关键技术。这两种技术的性能特点仍然受到限制，表现在锂离子电池的快速充电能力有限，而聚合物电解质膜燃料电池可达到的电流密度有限。到目前为止，无论是锂电池电极还是聚合物电解质膜燃料电池的扩散介质，由于现有的激光源和扫描光学器件所能达到的结构化率有限，结构化工艺都还没有从实验室规模转移到工业规模。

然而，最近在开发超短脉冲激光源方面取得的进展为工业应用提供了新的机遇，这些光源的平均输出功率在千瓦范围内，脉冲重复率在兆赫兹以上甚至千兆赫兹区域。此外，将多波束并行化的各种新方法与超短脉冲高功率激光源相结合，为实现与工业相关的处理速度提供了可能。据文献报道，使用多边形扫描仪、 直接激光干涉制图和衍射光学元件，可以有效提高材料成形任务的生产率。

使用空间光调制器进行光束整形是一种行之有效的方法，可以提高超短脉冲激光加工大型材料表面的速度，同时在引入微观结构方面保持高度灵活性。目前尚未研究将空间光调制器应用于锂电池电极和聚合物电解质膜燃料电池扩散介质的激光成型。

 

A.锂电池
图1(a)是锂电池示意图。锂电池已成为消费电子产品、电动汽车和固定系统领域电化学储能的市场领先技术。在这种情况下，特别是在移动领域应用中，锂电池必须满足快速充电能力和较长的行驶里程等高要求。为了满足这些要求，必须提高电池的体积能量密度和重力能量密度以及功率输出。由此产生的目标冲突在很大程度上取决于锂电池的电极设计。

 

图1：(a)锂电池和(b)引入微孔的聚合物电解质膜燃料电池示意图

为了获得更高的电池容量，可以通过降低孔隙率（电极材料中的空隙体积分数）、减少非活性材料的质量分数或增加涂层厚度来调整电极设计。然而，由于锂离子的扩散速度有限，活性材料含量高而孔隙率低的电极会增加电池内阻，从而导致性能下降，尤其是在较高的充放电电流下。改善电极扩散动力学的一种可行方法是利用激光辐射引入三维结构，以减少锂离子扩散路径的长度。

文献对阳极（如石墨）和阴极（如锂镍锰钴氧化物，NMC）的电极结构进行了研究。然而，由于板状石墨颗粒的排列，石墨负极在垂直于集流器的方向上比锂镍锰钴氧化物阴极等具有更高的曲折性。Habedank等人利用激光辐射在石墨负极上钻出微孔，孔的直径约为25μm，深度超过材料厚度的50%，研究了微孔对电池性能的影响。此外，Hille等人通过激光在石墨负极上加工微孔，在放电测试中，特别是在电流为1-3C时，显示出卓越的放电速率能力。除阳极结构外，文献还报道了通过对各种阴极材料进行微结构处理来提高性能的方法。

 

B.聚合物电解质膜燃料电池的扩散介质
图1(b)是聚合物电解质膜燃料电池示意图。在聚合物电解质膜燃料电池中，反应物的持续供应和先进的水管理（确保聚合物膜始终保持湿润并同时去除多余水分）对于高效运行至关重要。通常，扩散介质是一种双层材料，由微孔碳黑颗粒层（MPL）和大孔碳纤维基底层（通常称为气体扩散层GDL）组成。

多项研究表明，在高电流密度下（通常为1-2A/cm2），液态水会在扩散介质的孔隙中积聚，阻止氧气进入催化剂层，从而导致过电位升高和输出电压降低。扩散介质中的微孔可以显著改善除水效果，提高燃料电池的功率密度。迄今为止，已有研究表明，在不同位置和不同几何形状上引入微孔会对燃料电池的性能产生有利影响。

Gerteisen等人证实，气体扩散层中直径为80μm的微孔可将极限电流密度提高20%，而Wang等人则观察到直径为100μm的微孔具有最佳的燃料电池性能。在多项研究中，两层（MPL + GDL）穿孔都显示出了优势。不过，目前还没有明确的微孔尺寸。Alink等人的研究表明，直径为80μm的微孔可提高燃料电池的性能，而Haußmann等人则发现直径为60μm的微孔更有优势。

 

C.工业生产流程
锂电池电极和聚合物电解质膜燃料电池扩散介质这两种组件都是通过连续卷对卷涂覆工艺生产的。在电极生产过程中，活性材料浆料通过刮刀或槽模涂覆工具涂覆在集流箔上。如果涂层宽度为1m，孔距为200μm，则结构化速度为每秒25×106个微孔。标准涂层厚度在50 -100μm之间。

在生产扩散介质时，微孔碳黑颗粒层浆料被涂覆到气体扩散层上，然后进行烧结。由于目前燃料电池的需求量明显较低，因此假定生产速度比锂电池电极的生产速度小一个数量级，约为0.1m/s，孔距在500μm-1mm之间。在涂层宽度为1m的情况下，这些数值导致了每秒200000或400000个孔的成型速度。对于市售的扩散介质，微孔碳黑颗粒层厚度在28-134μm 之间。

由于电极和扩散介质工业生产工艺的设计，材料的微结构加工必须与卷对卷工艺相结合，并达到最先进的生产速度，以确保这一额外材料加工步骤的经济效益。

 

D.激光加工的规模
为了提高激光成型工艺的速度，已经对各种概念进行了研究：使用超快扫描系统（如多边形扫描仪），在优化的激光束通量和尽可能高的脉冲重复率（PRR）条件下提高扫描速度；通过将激光束分成多个平行光束来提高加工速度，优化每个子光束的通量并降低脉冲重复率，以尽量减少热量积累（千赫兹区域）。

迄今为止的研究表明，对于锂电池电极或聚合物电解质膜燃料电池扩散介质的构造，需要一个以上的脉冲才能获得足够深度的微孔。使用多边形扫描仪在连续的卷对卷过程中进行结构化处理，会带来用不同的微孔多次冲击微孔的挑战。这就要求扫描仪和卷对卷机器之间精确同步。

在分束方面，有多种选择，如衍射光学元件（DOE）或微透镜阵列。这些技术提供了固定的强度分布和子光束数量。Hille等人使用了一种衍射光学元件，以3×7的配置将激光束分成 21个子光束。Hille等人使用了衍射光学元件，将激光束分成21个3×7配置的子光束。在对锂电池电极进行激光成型时，与使用单光束工艺相比，加工时间缩短了88%。在Hauschwitz等人的研究中，激光束被分成40401个子光束，在不锈钢板上形成超疏水表面。通过移动平台，预计可实现每秒8 ×106个微结构的处理速度。

除了能产生固定输出功率分布的光学元件外，有些系统还能在一定频率下改变输出功率分布和子光束数量。这些系统就是空间光调制器。空间光调制器是一种自适应光学设备，能够调节入射光波面的特性，包括相位、振幅或偏振。Yamada等人开发了一种高精度、高效率的激光系统，专门用于批量生产锂电池阳极和阴极的通孔。该装置由一个空心圆柱体组成，电极缠绕在圆柱体周围，脉冲激光束通过圆柱体的中心轴引导，并通过精确的开口进行径向反射，从而在电极层中连续形成均匀分布的通孔。

一种常见的空间光调制器形式是基于液晶（LC）的空间光调制器。该装置的工作原理是沿晶体非常轴偏振的光的相位变化，可以通过液晶材料的可变折射率进行精确调节。基于液晶的空间光调制器通常根据光或电输入调节光。光学寻址空间光调制器的特点是在调制材料的顶部有一个连续的光敏层，可以利用另一束光对光束进行调制。然而，其制造成本相对较高。相反，电寻址空间光调制器包含一个像素化结构，通过电操作来调制每个像素的局部光波面。虽然这种装置提供了光学和电子单元之间的直接接口，但缺点是电极之间的死区和像素化结构的衍射损耗，将会导致光利用效率较低。

Silvennoinen等人的研究表明，利用空间光调制器将飞秒脉冲激光束分成576个子光束，可以对不锈钢和硅进行加工。

 

Lutz等人研究了利用空间光调制器进行平行激光束加工对不锈钢的烧蚀行为和表面粗糙度的影响，并将其作为流度的函数。结果表明，可以使用多达20个子光束的分束来提高烧蚀率。当子束达到20个时，观察到的烧蚀效率较低，原因是子束之间的均匀性降低以及空间光调制器的衍射效率降低。Yoshizaki等人的研究表明，可利用空间光调制器将一束激光分成直径不同的三个子光束，从而提高玻璃结构应用中的加工速度。

这项工作研究了通过灵活的激光束成型技术对锂电池电极和用于聚合物电解质膜燃料电池的扩散介质进行规模化激光构造的可行性。在材料中平行引入微孔和通道时使用了空间光调制器。为了评估空间光调制器在激光微结构制造中的适用性，将使用空间光调制器获得的烧蚀质量与通过扫描光学器件偏转的单激光束的结果，进行比较。

 

II.材料和方法

 

A.材料
实验研究使用了市售的扩散介质（SIGRACET 36BB，德国SGL FCC GmbH）和锂电池石墨阳极和阴极（德国UniverCell Holding GmbH）。

 

B.激光装置
在结构实验中，使用了超短脉冲激光源（捷克HiLASE中心Perla）。该系统发射的激光脉冲持续时间为970fs，中心发射波长为1030nm。为了分束和塑形，一个液晶硅空间光调制器（X15223，日本Hamamatsu Photonics K.K.）被集成到一个柔性光束塑形单元（FBS G3，德国 Pulsar Photonics GmbH）中。光束偏转由二维扫描光学系统（IntelliScan 14，Scanlab GmbH，德国）执行。Hauschwitz等人对所使用的系统进行了详细描述。

 

C.分析方法
使用激光扫描显微镜（VK-X 1000，Keyence）测量结构样品的形貌。利用相应的分析软件（MultiFileAnalyzer，Keyence）从记录的文件中确定几何值（孔的宽度和深度）。使用数码显微镜（VHX-7000，Keyence）和扫描电子显微镜（JSM-IT200，Jeol）对材料表面进行定性目视检查。为了对结构扩散介质进行功能评估，测量了其通透性。在测试台中，直径为30mm的圆形扩散介质被压缩7.5bar，这与燃料电池堆中扩散介质所承受的压力相似。采用18ml/h的恒定水流量通过扩散介质，其体积流量与燃料电池在3A/cm2的高电流密度下产生的水流量相当。

 

图2：实验研究中使用的结构策略示意图：(a)单光束微孔，(b)空间光调制器生成的多光束微孔，(c)单光束微通道，(d)空间光调制器生成的线光束形状微通道

为了研究阳极结构的单光束和多光束方法对电池性能的影响，研究人员组装了完整的纽扣电池，并在放电速率能力测试中对其进行了表征。放电速率能力测试与Habedank等人和Hille等人的测试类似。整个电池组装过程在露点约为-40 °C的干燥室内进行。首先，在120 °C和 50mbar的真空烘箱中干燥电极24小时，以提取残留水分。2032型纽扣电池由阳极（直径15mm）和阴极（直径14mm）组成，它们被玻璃纤维隔板（直径16mm）隔开。为填充纽扣电池，使用了100μl的电解液，其中含有碳酸乙烯酯和碳酸甲乙酯（质量比为3:7），1 mol 的六氟磷酸锂为导电盐，2wt。

针对补充材料附录A中列出的每种激光参数配置和设置，以及不带结构阳极的参考电池，研究人员都制作了四个电池。电池组装完成后，首先使用电池测试系统在25 °C恒温条件下进行电池化成。在电池化成过程中，以规定的C速率进行了三次充放电循环。C速率表示充电或放电电流（安培）与电池容量（安培小时）之比。在2.9-4.2 V之间以0.2 C的恒定电流进行了形成。

随后，对每种电池配置进行了速率能力测试，在2.9-4.2 V之间以0.1-5 C的放电速率对电池进行充电和放电。只进行放电速率测试是为了避免锂镀层，从而避免在后续测试周期中出现测试造假的风险。

 

III. 实验过程

为了更好地比较结构几何图形，在进行本研究的实验之前，先测量了光路和空间光调制器造成的额外损耗的影响。可以确定，光学装置会造成7%的功率损耗，而使用空间光调制器进行光束整形/分束时，功率损耗会增加15%。因此在实验过程中，报告的脉冲能量和输出功率是在工件上测量到的，并考虑了功率损耗。

 

图3：(a)在光路内使用空间光调制器后测量的高斯激光束的强度分布；(b)在聚焦点测量空间光调制器形成的线形

在其余部分中，“成型”一词指的是用于制造盲孔的冲击钻孔工艺。所有材料都是单面结构。所有结构实验均选择50 kHz的脉冲重复率。在第一项研究中，脉冲能量设定为80μJ和100μJ，同时改变每个孔的脉冲数，以保持每个微孔的总能量剂量不变，即扩散介质和阳极分别为2mJ和4mJ。研究人员使用了相当高的脉冲能量，因为先前的研究表明，通过这种方法，每个脉冲可以达到更高的烧蚀深度。

 

图4：在每个微孔的恒定能量分别为2mJ和4mJ时，不同脉冲能量下扩散介质和阳极的烧蚀深度(a)、烧蚀宽度(b)和纵横比(c)

在卷对卷生产工艺中，将微孔引入连续移动的扩散介质或锂电池电极材料需要精确调整的控制系统。起初，使用由扫描光学元件移动的单光束按顺序制作微孔。第二步，应用空间光调制器将光束分割成2×2矩阵，与之前的实验相比，脉冲能量和微孔能量保持不变。引入微孔的两种不同策略示意图如图1(a)和图2(b)所示，其中df等于聚焦光斑中激光束的焦点直径（≈30μm）。

空间光调制器生成的子光束光斑大小与原始单光束的光斑大小相当。这是因为空间光调制器将原始光束分成了尺寸与原始光束相似的子光束。扩散介质的孔间距X设为1mm，阳极的孔间距X设为200μm。

在第二项实验研究中，为了展示空间光调制器的灵活性，在材料表面引入了微通道。同样，起初使用的是单光束工艺，即激光束在表面上移动。之后，由空间光调制器生成线条，整个线条由扫描光学元件移动。扫描策略的可视化示意图如图2(c)（单光束）和图2(d)（空间光调制器线）所示。扫描线的宽度W等于激光束的直径df。一条线的长度Z被调整为0.7mm，并受到光学装置的限制。为了考虑线形外端激光强度的衰减，单线之间必须有重叠ο。对于 扩散介质和阳极，两条线之间的距离Y设为200μm。

为了比较两种结构化工艺，选择了线能量EL作为合适的值，其定义如下：EL=p/v，其中，p代表激光束的平均输出功率，v代表扫描速度。根据初步实验结果，为扩散介质和阳极分别选择了0.0246J/mm和0.036J/mm的线能量。为了达到规定的线能量，两种策略的平均输出功率分别设置为21W和10.5W。在单光束过程中，扩散介质的扫描速度调整为853.7mm/s和426.8 mm/s，阳极的扫描速度调整为583.3mm/s和291.7mm/s。在使用空间光调制器生成的线进行结构化实验期间，为了保持线能量恒定，扩散介质每个发射区域的脉冲数n分别设置为41和82，阳极材料的脉冲数n分别设置为60和120。

图3(a)显示了经过空间光调制器后在光路内测得的高斯激光束的强度分布。图3(b)显示了空间光调制器生成的线形的强度分布（在聚焦点测量）。

IV. 结果与讨论

 

A.微孔
图4显示了使用单光束和多光束工艺的两种材料（扩散介质和阳极）的孔几何形状。对于扩散介质和阳极材料，使用激光扫描显微镜进行的孔几何特征描述表明，单光束和多光束方法之间没有实质性的几何偏差。在100μJ脉冲能量和每个孔40个脉冲的条件下，使用空间光调制器的阳极孔结构的平均直径略小于单光束方法，而两种方法的平均深度值几乎相同。将脉冲能量降低到80μJ并将脉冲数增加到50个后，两种方法的平均孔直径和孔深都有所减小。

不过，两种结构化工艺之间的几何偏差仍然很小。在脉冲能量为100μJ和20个脉冲时，两种方法的扩散介质材料显示出几乎相同的平均孔直径和孔深度。当脉冲能量为 80μJ、脉冲数为25个时，使用空间光调制器的平均孔径和孔深比单光束方法高得少。由于两种材料的单光束和多光束方法的平均孔径和孔深的偏差都低于各自的标准偏差，因此可以得出结论，在多光束方法中使用空间光调制器对烧蚀质量没有显著影响（比较图5）。

 

图5：使用单光束(a)、(b)、(e)和(f)以及多光束(c)、(d)、(g)和(h)方法对阳极(a)-(d)和扩散介质 (e)-(h)进行激光结构化的结果。图(a)、(c)、(e)和(g)显示了结构化阳极和扩散介质表面的数码显微镜俯视图像；图(b)、(d)、(f)和(h)显示了放大率分别为600(b)和(d)以及800(f)和(h)的扫描电镜俯视图像

图5(a)-5(d)使用扫描电镜成像定性地说明了两种结构化工艺中阳极石墨颗粒的烧蚀特征。对于单光束和多光束方法，孔的形态显示了未被激光辐射穿孔的完整石墨颗粒。这可归因于阳极涂层的烧蚀行为，烧蚀最初是由粘合剂的蒸发引起的，从而产生一种将颗粒从材料中射出的力。此外，石墨在环境压力下不会熔化，导致整个颗粒的一部分直接被激光输入的能量汽化。扩散介质材料也有类似的烧蚀行为，但与传统电池阳极相比，应用的炭黑颗粒尺寸要小得多，聚合物粘合剂的含量也更高[比较图5(e)-5(h)]。

图6：阳极和扩散介质在两种不同脉冲能量下采用单光束工艺和多光束工艺产生的微孔的平均截面

为了进一步研究微孔的几何形状，从激光扫描显微镜测量中提取了通过最深点的剖面，并计算了8个微孔的平均值（比较图6）。在比较扩散介质和阳极材料的单光束和多光束图案时，剖面图显示了类似的孔几何形状。

 

图7：在每个微孔的恒定能量为2mJ、脉冲能量和每个孔的脉冲数不同的情况下，采用单光束工艺和空间光调制器生成线将微通道引入扩散介质和阳极的烧蚀深度(a)和烧蚀宽度(b)

 

B.微通道
图7显示了微通道的深度和宽度值。扩散介质的消融深度在两种方法之间是相当的，而空间光调制器产生的通道的消融宽度较小。与扩散介质中的微孔和微孔的研究结果不同，当采用 空间光调制器插入微通道时，阳极材料显示出不同的行为。与单光束方法相比，通道的深度明显较小，但宽度相当。为进一步评估，图8(a)-8(i)分别显示了示例微通道的等高线图和平均横截面。这种方法由 Kriegler等人提出，用于评估和比较陶瓷材料中引入的微通道的通道质量。

 

图8：扩散介质(a)-(d)和阳极(e)-(h)中微通道的等高线图，以及用单光束工艺和多光束工艺制作的扩散介质(i)和阳极(j)中微通道的平均横截面图

就扩散介质而言，空间光调制器引入的结构在深度和宽度上都显示出比单光束方法的通道几何形状更明显的通道形状。除了微通道外，裂纹也清晰可见。相比之下，阳极材料中的沟道显示出相反的效果，单光束生成的线条轮廓更加清晰。微通道的横截面图见图8(i)。如图7 所示，用空间光调制器方法生成的扩散介质中的通道深度相当，但宽度较小。此外，横截面显示出与阳极材料相反的行为，其特点是空间光调制器结构导致通道轮廓明显恶化。

 

图9：非结构化和结构化扩散介质的有效渗透率

由于阳极材料的烧蚀行为和光束整形的强度分布，空间光调制器线形方法和单光束方法在阳极通道几何形状上存在明显偏差[比较图3(c)]。与用于创建微孔的光束整形法相比，使用线整形法时，引入的能量分布在更大的区域内，这导致了较低的总体流量。此外，脉冲能量并没有均匀地分布在线条的区域内，导致线条中心的强度增加，而线条边缘的强度稳步下降。根据之前对石墨阳极烧蚀行为的解释，这意味着空间光调制器的线成形应用没有提供足够的能量来完全烧蚀石墨颗粒，尤其是在电极的深层和光束形状的边缘，那里的强度较低。

 

C.功能分析
图9显示了通过单光束工艺和空间光调制器多光束工艺测定的无结构扩散介质和有微孔结构扩散介质的有效渗透率。与无结构扩散介质（0.97 ×10-4μm²）相比，有微孔的扩散介质具有更高的有效渗透率（1.37 ×10-3和 1.24 ×10-3μm²）。

在对带有微孔图案的扩散介质进行分析后，没有发现明显差异。此外，还测试了带有微通道（单光束和空间光调制器生成线）的扩散介质。与带微孔的扩散介质相比，两者的渗透率都明显更高。这可能是因为较大的结构尺寸改善了水的传输特性。同样，在单梁工艺和空间光调制器线工艺之间也没有观察到差异。

 

图10：根据放电率测试得出的完整电池容量，放电率从0.1到5 C，共进行3个循环，每个循环

图10显示了采用所有测试结构方法的全电池在0.1- 5C的C速率下的放电能力。随着放电速率的增加，所有电池的放电容量都有所下降。不过，采用结构化阳极的电池在C速率大于1 C时的容量高于参考电池。在C速率大于2C时，带有单束孔和100μJ脉冲能量的电池的放电容量比通过空间光调制器获得的含有孔的电池高出一小部分。不过，由于在所有C速率下，单光束和多光束方法的平均容量偏差都低于各自的标准偏差，因此可以得出结论，使用空间光调制器对电池的性能没有显著影响。

特别是在脉冲能量为80μJ时，在所有C速率下，两种结构化方法的放电能力差异都可以忽略不计。相反，当C速率超过2C时，单光束和空间光调制器方法的放电容量在线型几何形状上出现了明显的偏差。这种效应可以用之前显示的两种方法在材料烧蚀方面的差异来解释，因为使用空间光调制器会导致微通道的烧蚀深度明显降低（比较图8）。放电速率测试结束时的0.1℃控制循环显示，所有电池的容量都有轻微损失，但参照电池的损失最为明显。不过，结构化方法之间的差异微乎其微。

 

D.工艺扩展
要想在工业中经济地应用激光直接成型技术，必须将该工艺集成到电池电极和扩散介质生产的卷对卷制造工艺中。与这些生产步骤相关的大量材料吞吐量要求结构化工艺以更高的速度和速率执行。根据Hille等人的计算，在工业加工率和合适的微孔距离条件下，电池阳极结构化所需的输出功率为千瓦。与电池电极不同的是，目前尚未对扩散介质的缩放性进行研究，这也是本节讨论这种材料的原因。

用于研究结构化过程缩放的模型结构示意图见补充材料。在计算中，假定卷对卷设备有三种不同的生产线速度（1、15和30m/min）。结构化区域选择了用于微材料加工的传统振镜扫描光学系统的工作区域（75×75mm）。在这种情况下，如果需要对更宽的材料进行结构化处理，则必须增加并行工作的扫描光学系统的数量。在计算过程中，还考虑了扫描仪参数，如延迟时间和移动速度。

在工艺参数方面，选择的脉冲能量为80μJ，每个孔25个脉冲，最大脉冲重复率为50 kHz。图11显示了在不同的孔间距和不同的光束排列方式下，对微孔进行激光加工所需的平均输出功率。在生产线速度为1m/min时，单光束工艺在孔距为1.5mm时达到极限。在孔距较小的情况下，该过程的速度太慢，而且一旦将整个区域移出扫描光学元件的工作区域，就无法对其进行结构化处理。

在生产线速度为15m/min、孔距为0.2mm的情况下，使用40×40矩阵所需的平均输出功率高于使用由更多子光束组成的矩阵。使用较大的光束矩阵时，由于可以覆盖更宽的扩散介质区域，因此扫描仪的移动次数和相关的开关延迟时间都会减少，从而可以解释这一现象。节省下来的时间可用于钻孔，从而降低平均输出功率。由于结构化区域仅限于一个扫描系统的工作区域，因此可以认为，结构化更宽的区域会导致所需的输出功率线性增加。例如，如果以15m/min的线速度对宽度为0.5m、孔间距为0.5mm的扩散介质进行结构化处理，则需要一个平均输出功率为250W的激光源。在考虑的方案中，所需的输出功率在市售超短脉冲激光源的能力范围之内。然而，提高线速度、缩小微孔间距或增加每个孔的能量以提高结构深度，都会导致所需输出功率大幅增加。

 

V.总结与展望

本研究获得的结果证实，与传统的单光束方法相比，应用空间光调制器可以获得高质量的微结构，且结构化速度显著提高。因此，采用这种光束整形技术有可能有助于将激光成型从实验室转移到电池和燃料电池生产的工业应用中。除了分束技术带来的结构化率提高之外，在毫秒级时间内改变光束形状或子光束的大小和数量的高度灵活性也很有潜力。在扩散介质生产中，这种灵活性允许在一条生产线和一个生产负荷内生产出具有不同特性的产品。

此外，锂电池阳极和聚合物电解质膜燃料电池扩散介质（尤其是微通道）的烧蚀行为存在明显差异。这种行为可归因于所使用的不同材料和材料成分。此外，异形光束的不均匀强度分布也可能是造成观察到的差异的原因之一。这可能会改变烧蚀特性，尤其是在光束轮廓的外部。关于工艺的缩放，很明显，要提高卷对卷工艺所需的速度，就必须进行光束分束。

进一步的研究应探讨通过空间光调制器改变和均匀化单光束的强度分布，以及创建的光束形状是如何改善创建结构的几何形状的。特别是空间光调制器生成的线条几何形状需要针对不同的材料系统进行进一步优化，因为阳极和扩散介质之间存在明显的偏差。此外，还需要进一步研究和减少使用空间光调制器所产生的损耗，以便为进一步商业化铺平道路。

 

作者：Christian Geiger、Alena Gruendl（慕尼黑工业大学），Petr Hauschwitz（捷克科学院物理研究所Hilase中心）等

 

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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