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鋰電池極片圓盤分切工藝基礎

鋰電池極片圓盤分切工藝基礎

  極片制作是制造鋰離子動力電池的基礎工藝,對設備的精度、智能化水平、生產性能的可靠性等要求非常高[1]。極片分切機是按電池規格,對經過輥壓的電池極片進行分條的裝備,主要技術要求是分條后的極片不能出現褶皺、脫粉,要求分條尺寸精度高等,同時極片邊緣的毛刺小,否則在毛刺上會產生枝晶刺破隔膜,造成電池內部的短路[2]。圓盤分切刀主要有上、下圓盤刀,裝在分切機的刀軸上,利用滾剪原理來分切厚度為0.01~0.1mm成卷的鋁箔、銅箔、正負極極片等。這里對鋰電池極片圓盤分切工藝基礎知識整理,分享并與大家共同學習。

  1、極片圓盤分切原理

  參照金屬板材圓盤分切過程,先介紹極片圓盤分切的基本原理。如圖1所示,這是一對普通圓盤切刀對板材進行分切加工時的示意圖。首先,當板材與上下刀片的AB點接觸時,板料就會受到上下刀面的壓力而產生彈性變形,并且由于力矩的存在,使板材產生彎曲,在間隙附近的材料內部產生以剪應力為主的應力。隨著刀刃點A、B旋轉到C、D位置時,內應力狀態滿足塑性條件時,產生塑性變形。隨著剪切作用過程的繼續進行,板材受到的剪切力越來越大,進入到剪切屈服狀態,剪切變形區開始產生宏觀的滑移變形,上下圓刀剪切刃開始切入材料,這時刃口附件的材料產生塑性變形(圖1進料方向觀測),剪切塑性滑移形成,斷面光亮。隨著刀盤的繼續轉動材料的塑性變形程度加劇,材料會出現加工硬化,其應力狀態也會發生改變,因此導致材料的內部出現微觀裂紋,隨著變形的繼續進行,這些微裂紋匯成主裂紋,轉變為裂紋擴展而分離,斷面形成撕裂區。


圖1圓盤分切加工過程示意圖

  與金屬板材分切加工比較,鋰電池極片圓盤剪的裁切方式具有完全不同的特點:

  (1)極片分切時,上下圓盤刀具有后角,類似與剪刀刀刃,刃口寬度特別小。上下圓盤刀不存在水平間隙(圖1中所示參數c相當于負值),而是上下刀相互接觸并存在側向壓力。

  (2)板料分切時上下基本上都有橡膠托輥,平衡上下刀在剪切時產生的剪力和剪切力矩,避免板料的大幅變形。而極片分切沒有上下托輥。

  (3)極片涂層是由顆粒組成的復合材料,幾乎沒有塑性變形能力,當上下圓盤刀產生的內應力大于涂層顆粒之間的結合力,涂層產生裂縫并拓展分離。

  2、極片分切質量影響因素

  影響毛刺的大小、斷面形貌特征及極片尺寸精度等質量的因素有很多,根據現有的理論,可以總結為:極片的物理力學性能、極片厚度、上下成對刀具的側向壓力(圖1中參數c)、上下成對刀具的重疊量(圖1中參數δ)、刃口磨損狀態、咬入角(圖1中參數α)、圓盤刀精度等。

  (1)材料物理力學性能的影響。一般說,材料的塑性好,剪切時裂紋會出現得較遲,材料被剪切的深度較大,所得斷面光亮帶所占的比例就大;而塑性差的材料,在同樣的參數條件下,則容易發生斷裂,斷面的撕裂帶所占的比例就會偏大,光亮帶自然也較小。

  (2)上下成對刀具側向壓力(圖1中參數c相當于負值)的影響。在極片的分切中,刀具側向壓力是影響分切質量的關鍵因素之一。剪切時,斷裂面上下裂紋是否重合、剪切力的應力應變狀態都與側向壓力的大小關系密切。側向壓力太小時,極片分切可能出現分切斷面不齊整、掉料等缺陷,而壓力太大,刀具更容易磨損,壽命更短。

  (3)上下成對刀具的重疊量(圖1中參數δ)的影響。重疊量的設置主要與極片的厚度有關,合理的重疊量有利于刀具的咬合,其影響包括剪切質量的優劣、毛剌的大小和刀具刃口磨損快慢等問題。

  (4)咬入角(圖1中參數α)的影響。圓盤分切中,咬入角是指剪切段和被剪板材中心線的夾角。咬入角增加,剪切力所產生的水平分力也會增大。如果水平分力大于極片的進料張力,板材要么打滑,要么在圓刀前拱起來而無法剪切。而咬入角減小,刀片的直徑就要增大,分條機的尺寸相應的也要增大。因此如何平衡咬入角、刀片直徑、板料厚度以及重疊量,必須參考實際工況而定。

  在極片分切工藝中,刀具的側向壓力和重疊量是圓盤切刀部的主要調整參數,需要根據極片的性質和厚度詳細調整。以往的設備制造和工藝中,調刀往往缺少精確數值參數,而是憑借經驗根據極片批次進行相應的調節。隨著設備技術的進步,調刀技術也不斷進步,并且數值化。目前出現極片分切機刀具側向壓力氣缸自動調節裝置,極片分切時通過設定氣缸壓力來調節刀具側向壓力而控制分切質量。

  3、極片分切的主要缺陷

  圖2為極片分切斷面典型形貌圖,斷裂面涂層主要顆粒之間相互剝離斷裂,而集流體發生塑性切斷和撕裂。當極片涂層壓實密度增大,顆粒之間的結合力增強時,極片涂層部分顆粒也出現被切斷的情況。極片分切中存在的主要缺陷包括以下幾種:


圖2 極片分切斷面典型形貌

  (1)毛刺

  毛刺,特別是金屬毛刺對鋰電池的危害巨大,尺寸較大的金屬毛刺直接刺穿隔膜,導致正負極之間短路。而極片分切工藝是鋰離子電池制造工藝中毛刺產生的主要過程。圖3所示即為極片分切產生的金屬毛刺的典型形貌,極片在分切時形成了集流體毛刺,尺寸達到100μm以上。表1是LiFePO4極片分切毛刺實驗結果,通過切刀倒角、刀具側向壓力以及收放卷張力的調節來控制毛刺的數量和尺寸。


圖3 極片分切金屬毛刺


表1  LiFePO4極片分切毛刺實驗結果

  為了避免這種情況出現,調刀時根據極片的性質和厚度,找到最合適的側向壓力和刀具重疊量是最關鍵的。另外,通過還可以切刀倒角,收放卷張力來改善極片邊緣品質。

  (2)波浪邊

  圖4是極片分切時存在的掉料和波浪邊缺陷,波浪邊。出現波浪邊時,極片分切和卷繞時會出現邊緣糾偏抖動,從而引起工藝精度,另外對電池最終的厚度和形貌也會出現不良影響。


圖4 極片分切掉料及波浪邊缺陷

  (3)掉粉

  如圖4所示,極片出現掉粉會影響電池性能,正極掉粉時,電池容量減小,而負極掉粉時出現負極無法包裹住正極的情形,容易造成析鋰。

  以上品質問題主要都是通過尋找合適的調刀參數來解決。

  (4)尺寸不滿足要求

  極片分切機是按電池規格,對經過輥壓的電池極片進行分切,要求分切極片尺寸精度高等。卷繞電池設計時,隔膜要包裹住負極避免正負極極片之間直接接觸形成短路,負極要包裹住正極避免充電時正極的鋰離子沒有負極活物質接納出現析鋰,一般地,負極和隔膜、負極和正極的尺寸差為2-3mm,而且隨著比能量要求提高,這個尺寸差還不斷減小。因此,極片尺寸精度要求越來越高,否則電池會出現嚴重的品質問題。

  4、圓盤切刀的主要失效方式

  在極片分切過程中,分切圓盤刀片的質量直接影響到極片分切的性能。分切機需要長期運行,因此就需要分切刀片擁有較好的機械性能,如硬度、制造工藝和耐磨性等都很重要。圓盤切刀連續運行中都存在一定的壽命,在分切工藝中需要對切刀進行壽命管理,一般地,極片圓盤分切刀的主要失效方式為刀具磨損,如圖5所示,具體包括:


圖5 刀具磨損形貌

   (1)疲勞失效

  極片分切圓盤刀存在側向壓力,上下刀具在刀刃口側面相互重疊,連續分切過程中,刃口局部承受的應力大且集中,由于頻繁的擠壓、剪切、摩擦和循環交變的機械載荷作用,在刃口區易出現疲勞微裂紋,繼而在循環應力的作用下,會沿著圓盤刀側面向中心擴展,當裂紋增長到一定程度,應力達到刀具材料的強度極限時就會造成刀具刃口的局部微破損。

  (2)黏合磨損

  在刀具磨損區域還能發現具有擠壓痕跡的黏附物,這些黏附物是極片碎屑黏附著在刀具上形成的。這是由于圓盤刀側邊與極片分切面處于接觸狀態,且有較大接觸壓力,使分切材料部分冷焊在圓盤刀側面。這些黏結層在循環分切過程中不斷脫落后又重新形成,脫落過程有可能造成刀具硬質相的脫落,加劇磨損過程。這種情況在分切鋁箔時最容易形成,由于鋁的熔點低,分切屑與刀具側面黏合在一起造成刀具磨損,壽命縮短。

  (3)磨粒磨損

  分切屑、極片的硬度雖然低于刀具的硬度,但它們當中常常含有一些硬度極高的微小的硬質點,可在刀具表面刻劃出溝紋,這就是磨料磨損。

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