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锂电池极片裁切技术简介

第一电动大牛作者锂想生活mikoWoo 2018-02-26 10:01

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。

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。

图2 冲切原理示意图

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：

（1）

其中，CL为冲切间隙，D和d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）：

（2）

其中，模具磨损过程简化为图4a所示，模具磨损量用a和b表示，当发生磨损时，随着a、b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。

图4 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。

图5 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 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。图7是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。