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2021-06-08

鋰離子電池極片裁切技術簡介

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鋰離子電池極片裁切技術簡介

鋰離子電池極片經過漿料涂敷,干燥和輥壓之后,形成集流體及兩面涂層的三層復合結構。然后根據電池設計結構和規格,我們需要再對極片進行裁切。一般地,對卷繞電池,極片根據設計寬度進行分條;疊片電池,極片相應裁切成片,如圖1所示。目前,鋰離子電池極片裁切工藝主要采用以下三種:(1)圓盤剪分切,(2)模具沖切,(3)激光切割。


鋰離子電池極片裁切技術簡介(圖1) 圖(tu)1 鋰離子電(dian)池(chi)正負極極片示意圖(tu)

 

極(ji)片(pian)裁切過程(cheng)中,極(ji)片(pian)裁切邊緣的(de)質量對電(dian)池性能和品質具(ju)有重要的(de)影響(xiang),具(ju)體包括(kuo):(1)毛刺和雜質,會造(zao)成電(dian)池內短路,引起(qi)自(zi)放電(dian)甚(shen)至熱(re)失(shi)控;(2)尺寸精度(du)差,無(wu)法保證負極完全包裹正極,或者隔膜(mo)完全隔離正負極極片,引(yin)起(qi)電池安全問題;(3)材料熱損傷(shang)、涂層脫落等,造成材料失去活性,無法(fa)發揮作用;(4)切(qie)邊不平整(zheng)度,引起極(ji)片(pian)充放電過程的不均勻(yun)性。因此,極(ji)片(pian)裁切(qie)工藝(yi)(yi)需要避免這些(xie)問題出現,提高工藝(yi)(yi)品質(zhi)。

 

1、圓盤剪分(fen)切

 

圓盤(pan)(pan)分切(qie)主(zhu)要有上、下(xia)圓盤(pan)(pan)刀,裝在(zai)分切(qie)機的(de)(de)刀軸上,利用滾剪原(yuan)理(li)(li)來分切(qie)厚度為0.01~0.1 mm成卷(juan)的(de)(de)正(zheng)負極極片。關于圓盤(pan)(pan)分切(qie)技術的(de)(de)基本原(yuan)理(li)(li),極片分切(qie)質量影響因素,工(gong)藝缺陷以(yi)及切(qie)刀失效模式,之前已經(jing)整(zheng)理(li)(li),點擊鏈接(jie)閱讀:

 

鋰電池極片圓盤分切工藝基礎

 

2、模具(ju)沖切

 

鋰離子電池極(ji)片的模(mo)切工藝又分為(wei)兩(liang)種:(1)木板刀模沖切,鋒利的(de)刀刃(ren)安裝在(zai)木板上(shang),一定壓力作用下(xia)將刀刃(ren)切開極片。這種(zhong)工藝模具(ju)簡單,成本低(di),但是沖切品質不(bu)易控制,目前(qian)逐步被淘汰。(2)五金模(mo)具沖切,利用沖頭和下刀模(mo)極小(xiao)的間(jian)隙對(dui)極片進行裁切,如(ru)圖2所示。涂層(ceng)顆粒通過(guo)(guo)(guo)粘結劑連接在(zai)(zai)一(yi)起,在(zai)(zai)沖切(qie)工藝過(guo)(guo)(guo)程中,在(zai)(zai)應力作(zuo)用下涂層(ceng)顆粒之間剝(bo)離,金(jin)屬箔材發生(sheng)塑形應變,達到斷裂(lie)強度之后產生(sheng)裂(lie)紋,裂(lie)紋擴展分離,金(jin)屬箔材斷裂(lie)分離過(guo)(guo)(guo)程如圖3所示。金屬材料沖切(qie)件的斷面(mian)分為4個部分:塌(ta)角(jiao)、剪(jian)切(qie)帶、斷裂帶和毛刺。斷面(mian)的剪(jian)切(qie)帶越(yue)寬,塌(ta)角(jiao)及毛刺高度(du)越(yue)小,沖切(qie)件的斷面(mian)質(zhi)量也就越(yue)高。

 


鋰離子電池極片裁切技術簡介(圖2)

沖(chong)切原理示(shi)意圖


鋰離子電池極片裁切技術簡介(圖3)

圖3 金屬箔材沖切斷裂過程

 

沖切工藝(yi)中(zhong)上(shang)沖頭和下(xia)(xia)模之間的沖切間隙,可(ke)以用如下(xia)(xia)公式(1)表示:

  

鋰離子電池極片裁切技術簡介(圖4)     (1)


其中(zhong),CL為沖切間隙,Dd是上(shang)下模頭(tou)的(de)尺(chi)寸,t是板材厚度,如圖2所示。而考慮到模具的磨損時,有效沖切(qie)間隙Cle定義為(wei)公(gong)式(shi)(2):


鋰離子電池極片裁切技術簡介(圖5) (2)


其(qi)中,模具(ju)磨損過程簡化為圖(tu)4a所(suo)示(shi),模具磨損量(liang)用ab表示,當發生(sheng)磨損(sun)時,隨著ab值變化(hua),當模具發生磨損時,有效(xiao)沖(chong)切(qie)間隙Cle也會相應(ying)增加(jia),如圖4b所示,有效間隙滿(man)足式(2)關系。沖切間(jian)隙和模(mo)(mo)(mo)具(ju)刃口(kou)的(de)磨損情(qing)況對沖切過程有重要影響,隨著模(mo)(mo)(mo)具(ju)的(de)磨損,沖切間(jian)隙增(zeng)加(jia),模(mo)(mo)(mo)具(ju)刃口(kou)圓角增(zeng)大(da),沖切件(jian)的(de)斷面質量也(ye)會發(fa)生改變。


鋰離子電池極片裁切技術簡介(圖6)

模(mo)具磨損(sun)與有效沖切(qie)間(jian)隙

(a)模具磨損示意圖,(b)有限沖切間隙隨著磨損量增加曲線關系

 

3、激光切(qie)割

 

圓盤分(fen)切(qie)(qie)和模切(qie)(qie)都存在刀具(ju)磨損問題,這容(rong)易引(yin)起(qi)工(gong)(gong)藝不穩定(ding)(ding),導致極(ji)片(pian)(pian)裁(cai)切(qie)(qie)品質差,引(yin)起(qi)電(dian)池(chi)性能下降(jiang)。激光切(qie)(qie)割(ge)具(ju)有(you)生(sheng)產效(xiao)率(lv)(lv)高,工(gong)(gong)藝穩定(ding)(ding)性好的(de)特點,已經在工(gong)(gong)業(ye)上應用于鋰離子(zi)電(dian)池(chi)極(ji)片(pian)(pian)的(de)裁(cai)切(qie)(qie),其(qi)基本(ben)原理(li)是(shi)利用高功率(lv)(lv)密度激光束照射被切(qie)(qie)割(ge)的(de)電(dian)池(chi)極(ji)片(pian)(pian),使極(ji)片(pian)(pian)很快被加熱至很高的(de)溫度,迅速熔化、汽化、燒蝕或達到燃點而形成孔洞,隨著光束在極(ji)片(pian)(pian)上的(de)移動(dong),孔洞連續(xu)形成寬(kuan)度很窄的(de)切(qie)(qie)縫,完成對極(ji)片(pian)(pian)的(de)切(qie)(qie)割(ge)。

 

其中,激光能量和切割移動速度是(shi)兩(liang)個(ge)主要的工藝參(can)數(shu),對切割質(zhi)量影響巨大(da)。圖5是不同的(de)激(ji)光切割工藝條件下(xia)單面涂層(ceng)負(fu)極(ji)極(ji)片(pian)的(de)切邊形(xing)貌,圖6是不同(tong)的激光(guang)切割工藝條(tiao)件下單面涂(tu)層正極(ji)極(ji)片的切邊形貌。當激光(guang)功率(lv)太低或(huo)者移動(dong)速度太快時,極(ji)片不能完全(quan)切開,而(er)當功率(lv)太高或(huo)移動(dong)速度太低時,激光(guang)對(dui)材料作用區域變大(da),切縫尺寸更大(da)。

 

鋰離子電池極片裁切技術簡介(圖7)

圖(tu)不同的激(ji)光(guang)切割工藝條件下(xia)單面涂(tu)層負極(ji)極(ji)片的切邊形貌


鋰離子電池極片裁切技術簡介(圖8)

6  不同的激(ji)光切割工(gong)藝(yi)條件下(xia)單(dan)面涂層正極(ji)極(ji)片的切邊形貌

 

由于鋰(li)離子電池極片是雙面涂層(ceng)+中間集(ji)流體金屬(shu)層的(de)結構,而且涂(tu)(tu)層與金屬(shu)箔材之(zhi)間性質差異大(da),對激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)作(zuo)用的(de)響(xiang)應也不相(xiang)同(tong)。激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)作(zuo)用在負極(ji)石墨層或正極(ji)活物質層時,由于它們具(ju)有很高的(de)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)吸(xi)收率,導熱(re)系數也很低,因此,涂(tu)(tu)層需(xu)要相(xiang)對較(jiao)低的(de)熔(rong)化(hua)和汽(qi)化(hua)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)能(neng)量(liang),而金屬(shu)集(ji)流體對激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)具(ju)有反射作(zuo)用,并且熱(re)傳(chuan)導快,因此金屬(shu)層的(de)熔(rong)化(hua)和汽(qi)化(hua)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)能(neng)量(liang)升高。圖7是單面涂層(ceng)的負極在(zai)激光作用下極片厚(hou)度方(fang)向的銅成(cheng)分和(he)溫度分布,當激光作用在(zai)石墨層(ceng)時,由于(yu)材料的特性,石墨主(zhu)要發生(sheng)汽(qi)化,當激光侵入到金屬銅箔時,銅箔開始(shi)發生(sheng)熔化,形成(cheng)熔池。工藝參數不合適(shi)時,可能出(chu)現問題:(1)切邊涂層脫落,露出金屬箔(bo)材,如圖8左圖(tu)所示;(2)切邊周圍出現大(da)量切屑異物。這些都會(hui)導(dao)致電池(chi)出現性能下(xia)降、安全性品質問(wen)題,如(ru)圖(tu)8右圖所示。因(yin)此,當(dang)采用(yong)激光切(qie)割時,需要(yao)根據活物質(zhi)材料和金(jin)屬(shu)箔材的(de)特(te)性,優化合適的(de)工藝參數,才能既完全(quan)切(qie)割極片,又形(xing)成良好的(de)切(qie)邊質(zhi)量,不(bu)產生金(jin)屬(shu)切(qie)屑雜質(zhi)殘留。


鋰離子電池極片裁切技術簡介(圖9)

7  單面涂層的負(fu)極在激光作用下極片厚度方向的銅成分和溫度分布

 

鋰離子電池極片裁切技術簡介(圖10)

圖8 切(qie)邊(bian)問題(ti):露(lu)金屬(shu)箔和(he)切(qie)屑(xie)異物


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