解读锂电池极片裁切工艺

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锂离子电池极片经过浆料涂敷,干燥和辊压之后,形成集流体及两面涂层的三层复合结构。然后根据电池设计结构和规格,我们需要再对极片进行裁切。一般地,对卷绕电池,极片根据设计宽度进行分条;叠片电池,极片相应裁切成片,如图1所示。目前,锂离子电池极片裁切工艺主要采用以下三种:(1)圆盘剪分切,(2)模具冲切,(3)激光切割。

 

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图1 锂离子电池正负极极片示意图

 

极片裁切过程中,极片裁切边缘的质量对电池性能和品质具有重要的影响,具体包括:(1)毛刺和杂质,会造成电池内短路,引起自放电甚至热失控;(2)尺寸精度差,无法保证负极完全包裹正极,或者隔膜完全隔离正负极极片,引起电池安全问题;(3)材料热损伤、涂层脱落等,造成材料失去活性,无法发挥作用;(4)切边不平整度,引起极片充放电过程的不均匀性。因此,极片裁切工艺需要避免这些问题出现,提高工艺品质。

 

1、圆盘剪分切

圆盘分切主要有上、下圆盘刀,装在分切机的刀轴上,利用滚剪原理来分切厚度为0.01~0.1 mm成卷的正负极极片。

2、模具冲切

锂离子电池极片的模切工艺又分为两种:(1)木板刀模冲切,锋利的刀刃安装在木板上,一定压力作用下将刀刃切开极片。这种工艺模具简单,成本低,但是冲切品质不易控制,目前逐步被淘汰。(2)五金模具冲切,利用冲头和下刀模极小的间隙对极片进行裁切,如图2所示。涂层颗粒通过粘结剂连接在一起,在冲切工艺过程中,在应力作用下涂层颗粒之间剥离,金属箔材发生塑形应变,达到断裂强度之后产生裂纹,裂纹扩展分离,金属箔材断裂分离过程如图3所示。金属材料冲切件的断面分为4个部分:塌角、剪切带、断裂带和毛刺。断面的剪切带越宽,塌角及毛刺高度越小,冲切件的断面质量也就越高。

 

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冲切原理示意图

 

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图3 金属箔材冲切断裂过程

冲切工艺中上冲头和下模之间的冲切间隙,可以用如下公式(1)表示:

10     (1)

 

其中,CL为冲切间隙,Dd是上下模头的尺寸,t是板材厚度,如图2所示。而考虑到模具的磨损时,有效冲切间隙Cle定义为公式(2):

11 (2)

其中,模具磨损过程简化为图4a所示,模具磨损量用ab表示,当发生磨损时,随着ab值变化,当模具发生磨损时,有效冲切间隙Cle也会相应增加,如图4b所示,有效间隙满足式(2)关系。冲切间隙和模具刃口的磨损情况对冲切过程有重要影响,随着模具的磨损,冲切间隙增加,模具刃口圆角增大,冲切件的断面质量也会发生改变。

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模具磨损与有效冲切间隙

(a)模具磨损示意图,(b)有限冲切间隙随着磨损量增加曲线关系

3、激光切割

圆盘分切和模切都存在刀具磨损问题,这容易引起工艺不稳定,导致极片裁切品质差,引起电池性能下降。激光切割具有生产效率高,工艺稳定性好的特点,已经在工业上应用于锂离子电池极片的裁切,其基本原理是利用高功率密度激光束照射被切割的电池极片,使极片很快被加热至很高的温度,迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点而形成孔洞,随着光束在极片上的移动,孔洞连续形成宽度很窄的切缝,完成对极片的切割。

其中,激光能量和切割移动速度是两个主要的工艺参数,对切割质量影响巨大。图5是不同的激光切割工艺条件下单面涂层负极极片的切边形貌,图6是不同的激光切割工艺条件下单面涂层正极极片的切边形貌。当激光功率太低或者移动速度太快时,极片不能完全切开,而当功率太高或移动速度太低时,激光对材料作用区域变大,切缝尺寸更大。

 

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不同的激光切割工艺条件下单面涂层负极极片的切边形貌

 

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6  不同的激光切割工艺条件下单面涂层正极极片的切边形貌

由于锂离子电池极片是双面涂层+中间集流体金属层的结构,而且涂层与金属箔材之间性质差异大,对激光作用的响应也不相同。激光作用在负极石墨层或正极活物质层时,由于它们具有很高的激光吸收率,导热系数也很低,因此,涂层需要相对较低的熔化和汽化激光能量,而金属集流体对激光具有反射作用,并且热传导快,因此金属层的熔化和汽化激光能量升高。7单面涂层的负极在激光作用下极片厚度方向的铜成分和温度分布,当激光作用在石墨层时,由于材料的特性,石墨主要发生汽化,当激光侵入到金属铜箔时,铜箔开始发生熔化,形成熔池。工艺参数不合适时,可能出现问题:(1)切边涂层脱落,露出金属箔材,如图8左图所示;(2)切边周围出现大量切屑异物。这些都会导致电池出现性能下降、安全性品质问题,如图8右图所示。因此,当采用激光切割时,需要根据活物质材料和金属箔材的特性,优化合适的工艺参数,才能既完全切割极片,又形成良好的切边质量,不产生金属切屑杂质残留。

 

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7  单面涂层的负极在激光作用下极片厚度方向的铜成分和温度分布

 

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图8 切边问题:露金属箔和切屑异物

主要参考文献:

1、Investigation on blanking of thin sheet metal using the ductile fracture criterion and its experimental verification

2、Modelling and experimental analysis of the effects of tool wear on form errors in stainless steel blanking

3、Ultrasonic vibration assistance in shear cutting of electrode materials for lithium-ion batteries

4、Computational and experimental studies of laser cutting of the current collectors for lithium-ion batteries

5、Effects of momentum transfer on sizing of current collectors for lithium-ion batteries during laser cutting

6、High speed remote laser cutting of electrodes for lithium-ion batteries_ Anode

7、Quality and Productivity Considerations for Laser Cutting of LiFePO4 and LiNiMnCoO2 Battery Electrodes