鋰離子電池極片經過漿料塗敷, 乾燥和輥壓之後, 形成集流體及兩面塗層的三層複合結構. 然後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採用以下三種: (1) 圓盤剪分切, (2) 模具沖切, (3) 雷射切割.
圖1 鋰離子電池正負極極片示意圖
極片裁切過程中, 極片裁切邊緣的質量對電池性能和品質具有重要的影響, 具體包括: (1) 毛刺和雜質, 會造成電池內短路, 引起自放電甚至熱失控; (2) 尺寸精度差, 無法保證負極完全包裹正極, 或者隔膜完全隔離正負極極片, 引起電池安全問題; (3) 材料熱損傷, 塗層脫落等, 造成材料失去活性, 無法發揮作用; (4) 切邊不平整度, 引起極片充放電過程的不均勻性. 因此, 極片裁切工藝需要避免這些問題出現, 提高工藝品質.
1, 圓盤剪分切
圓盤分切主要有上, 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0.01~0.1 mm成卷的正負極極片. 關於圓盤分切技術的基本原理, 極片分切質量影響因素, 工藝缺陷以及切刀失效模式, 之前已經整理, 點擊連結閱讀:
鋰電池極片圓盤分切工藝基礎
2, 模具沖切
鋰離子電池極片的模切工藝又分為兩種: (1) 木板刀模沖切, 鋒利的刀刃安裝在木板上, 一定壓力作用下將刀刃切開極片. 這種工藝模具簡單, 成本低, 但是沖切品質不易控制, 目前逐步被淘汰. (2) 五金模具沖切, 利用沖頭和下刀模極小的間隙對極片進行裁切, 如圖2所示. 塗層顆粒通過粘結劑連接在一起, 在沖切工藝過程中, 在應力作用下塗層顆粒之間剝離, 金屬箔材發生塑形應變, 達到斷裂強度之後產生裂紋, 裂紋擴展分離, 金屬箔材斷裂分離過程如圖3所示. 金屬材料沖切件的斷面分為4 個部分: 塌角, 剪切帶, 斷裂帶和毛刺. 斷面的剪切帶越寬, 塌角及毛刺高度越小, 沖切件的斷面質量也就越高.
圖2沖切原理示意圖
圖3金屬箔材沖切斷裂過程
沖切工藝中上沖頭和下模之間的沖切間隙, 可以用如下公式 (1) 表示:
(1)
其中, CL為沖切間隙, D和d是上下模頭的尺寸, t是板材厚度, 如圖2所示. 而考慮到模具的磨損時, 有效沖切間隙Cle定義為公式 (2) :
(2)
其中, 模具磨損過程簡化為圖4a所示, 模具磨損量用a和b表示, 當發生磨損時, 隨著a, b值變化, 當模具發生磨損時, 有效沖切間隙Cle也會相應增加, 如圖4b所示, 有效間隙滿足式 (2) 關係. 沖切間隙和模具刃口的磨損情況對沖切過程有重要影響, 隨著模具的磨損, 沖切間隙增加, 模具刃口圓角增大, 沖切件的斷面質量也會發生改變.
圖4 模具磨損與有效沖切間隙
(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係
3, 雷射切割
圓盤分切和模切都存在刀具磨損問題, 這容易引起工藝不穩定, 導致極片裁切品質差, 引起電池性能下降. 雷射切割具有生產效率高, 工藝穩定性好的特點, 已經在工業上應用於鋰離子電池極片的裁切, 其基本原理是利用高功率密度雷射束照射被切割的電池極片, 使極片很快被加熱至很高的溫度, 迅速熔化, 汽化, 燒蝕或達到燃點而形成孔洞, 隨著光束在極片上的移動, 孔洞連續形成寬度很窄的切縫, 完成對極片的切割.
其中, 雷射能量和切割移動速度是兩個主要的工藝參數, 對切割質量影響巨大. 圖5是不同的雷射切割工藝條件下單面塗層負極極片的切邊形貌, 圖6是不同的雷射切割工藝條件下單面塗層正極極片的切邊形貌. 當雷射功率太低或者移動速度太快時, 極片不能完全切開, 而當功率太高或移動速度太低時, 雷射對材料作用區域變大, 切縫尺寸更大.
圖5不同的雷射切割工藝條件下單面塗層負極極片的切邊形貌
圖6不同的雷射切割工藝條件下單面塗層正極極片的切邊形貌
由於鋰離子電池極片是雙面塗層+中間集流體金屬層的結構, 而且塗層與金屬箔材之間性質差異大, 對雷射作用的響應也不相同. 雷射作用在負極石墨層或正極活物質層時, 由於它們具有很高的雷射吸收率, 導熱係數也很低, 因此, 塗層需要相對較低的熔化和汽化雷射能量, 而金屬集流體對雷射具有反射作用, 並且熱傳導快, 因此金屬層的熔化和汽化雷射能量升高. 圖7是單面塗層的負極在雷射作用下極片厚度方向的銅成分和溫度分布, 當雷射作用在石墨層時, 由於材料的特性, 石墨主要發生汽化, 當雷射侵入到金屬銅箔時, 銅箔開始發生熔化, 形成熔池. 工藝參數不合適時, 可能出現問題: (1) 切邊塗層脫落, 露出金屬箔材, 如圖8左圖所示; (2) 切邊周圍出現大量切屑異物. 這些都會導致電池出現性能下降, 安全性品質問題, 如圖8右圖所示. 因此, 當採用雷射切割時, 需要根據活物質材料和金屬箔材的特性, 優化合適的工藝參數, 才能既完全切割極片, 又形成良好的切邊質量, 不產生金屬切屑雜質殘留.
圖7單面塗層的負極在雷射作用下極片厚度方向的銅成分和溫度分布
圖8 切邊問題: 露金屬箔和切屑異物
