鋰離子電池極片經(jīng)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(fù)合結(jié)構(gòu)。然后根據(jù)電池設(shè)計結(jié)構(gòu)和規(guī)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(jù)設(shè)計寬度進行分條；疊片電池，極片相應(yīng)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。
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(zhì)量對電池性能和品質(zhì)具有重要的影響，具體包括：（1）毛刺和雜質(zhì)，會造成電池內(nèi)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、涂層脫落等，造成材料失去活性，無法發(fā)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(xiàn)，提高工藝品質(zhì)。
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(guān)于圓盤分切技術(shù)的基本原理，極片分切質(zhì)量影響因素，工藝缺陷以及切刀失效模式，之前已經(jīng)整理，點擊鏈接閱讀：
鋰電池極片圓盤分切工藝基礎(chǔ)
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(zhì)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。涂層顆粒通過粘結(jié)劑連接在一起，在沖切工藝過程中，在應(yīng)力作用下涂層顆粒之間剝離，金屬箔材發(fā)生塑形應(yīng)變，達到斷裂強度之后產(chǎn)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(zhì)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(fā)生磨損時，隨著a、b值變化，當模具發(fā)生磨損時，有效沖切間隙Cle也會相應(yīng)增加，如圖4b所示，有效間隙滿足式（2）關(guān)系。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(zhì)量也會發(fā)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(guān)系
3、激光切割
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(wěn)定，導(dǎo)致極片裁切品質(zhì)差，引起電池性能下降。激光切割具有生產(chǎn)效率高，工藝穩(wěn)定性好的特點，已經(jīng)在工業(yè)上應(yīng)用于鋰離子電池極片的裁切，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(xù)形成寬度很窄的切縫，完成對極片的切割。
其中，激光能量和切割移動速度是兩個主要的工藝參數(shù)，對切割質(zhì)量影響巨大。圖5是不同的激光切割工藝條件下單面涂層負極極片的切邊形貌，圖6是不同的激光切割工藝條件下單面涂層正極極片的切邊形貌。當激光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，激光對材料作用區(qū)域變大，切縫尺寸更大。
圖5不同的激光切割工藝條件下單面涂層負極極片的切邊形貌
圖6不同的激光切割工藝條件下單面涂層正極極片的切邊形貌
由于鋰離子電池極片是雙面涂層+中間集流體金屬層的結(jié)構(gòu)，而且涂層與金屬箔材之間性質(zhì)差異大，對激光作用的響應(yīng)也不相同。激光作用在負極石墨層或正極活物質(zhì)層時，由于它們具有很高的激光吸收率，導(dǎo)熱系數(shù)也很低，因此，涂層需要相對較低的熔化和汽化激光能量，而金屬集流體對激光具有反射作用，并且熱傳導(dǎo)快，因此金屬層的熔化和汽化激光能量升高。圖7是單面涂層的負極在激光作用下極片厚度方向的銅成分和溫度分布，當激光作用在石墨層時，由于材料的特性，石墨主要發(fā)生汽化，當激光侵入到金屬銅箔時，銅箔開始發(fā)生熔化，形成熔池。工藝參數(shù)不合適時，可能出現(xiàn)問題：（1）切邊涂層脫落，露出金屬箔材，如圖8左圖所示；（2）切邊周圍出現(xiàn)大量切屑異物。這些都會導(dǎo)致電池出現(xiàn)性能下降、安全性品質(zhì)問題，如圖8右圖所示。因此，當采用激光切割時，需要根據(jù)活物質(zhì)材料和金屬箔材的特性，優(yōu)化合適的工藝參數(shù)，才能既完全切割極片，又形成良好的切邊質(zhì)量，不產(chǎn)生金屬切屑雜質(zhì)殘留。
圖7單面涂層的負極在激光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
主要參考文獻：
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
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(zhì)量對電池性能和品質(zhì)具有重要的影響，具體包括：（1）毛刺和雜質(zhì)，會造成電池內(nèi)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、涂層脫落等，造成材料失去活性，無法發(fā)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(xiàn)，提高工藝品質(zhì)。
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(guān)于圓盤分切技術(shù)的基本原理，極片分切質(zhì)量影響因素，工藝缺陷以及切刀失效模式，之前已經(jīng)整理，點擊鏈接閱讀：
鋰電池極片圓盤分切工藝基礎(chǔ)
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(zhì)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。涂層顆粒通過粘結(jié)劑連接在一起，在沖切工藝過程中，在應(yīng)力作用下涂層顆粒之間剝離，金屬箔材發(fā)生塑形應(yīng)變，達到斷裂強度之后產(chǎn)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(zhì)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(fā)生磨損時，隨著a、b值變化，當模具發(fā)生磨損時，有效沖切間隙Cle也會相應(yīng)增加，如圖4b所示，有效間隙滿足式（2）關(guān)系。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(zhì)量也會發(fā)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(guān)系
3、激光切割
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(wěn)定，導(dǎo)致極片裁切品質(zhì)差，引起電池性能下降。激光切割具有生產(chǎn)效率高，工藝穩(wěn)定性好的特點，已經(jīng)在工業(yè)上應(yīng)用于鋰離子電池極片的裁切，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(xù)形成寬度很窄的切縫，完成對極片的切割。
其中，激光能量和切割移動速度是兩個主要的工藝參數(shù)，對切割質(zhì)量影響巨大。圖5是不同的激光切割工藝條件下單面涂層負極極片的切邊形貌，圖6是不同的激光切割工藝條件下單面涂層正極極片的切邊形貌。當激光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，激光對材料作用區(qū)域變大，切縫尺寸更大。
圖5不同的激光切割工藝條件下單面涂層負極極片的切邊形貌
圖6不同的激光切割工藝條件下單面涂層正極極片的切邊形貌
由于鋰離子電池極片是雙面涂層+中間集流體金屬層的結(jié)構(gòu)，而且涂層與金屬箔材之間性質(zhì)差異大，對激光作用的響應(yīng)也不相同。激光作用在負極石墨層或正極活物質(zhì)層時，由于它們具有很高的激光吸收率，導(dǎo)熱系數(shù)也很低，因此，涂層需要相對較低的熔化和汽化激光能量，而金屬集流體對激光具有反射作用，并且熱傳導(dǎo)快，因此金屬層的熔化和汽化激光能量升高。圖7是單面涂層的負極在激光作用下極片厚度方向的銅成分和溫度分布，當激光作用在石墨層時，由于材料的特性，石墨主要發(fā)生汽化，當激光侵入到金屬銅箔時，銅箔開始發(fā)生熔化，形成熔池。工藝參數(shù)不合適時，可能出現(xiàn)問題：（1）切邊涂層脫落，露出金屬箔材，如圖8左圖所示；（2）切邊周圍出現(xiàn)大量切屑異物。這些都會導(dǎo)致電池出現(xiàn)性能下降、安全性品質(zhì)問題，如圖8右圖所示。因此，當采用激光切割時，需要根據(jù)活物質(zhì)材料和金屬箔材的特性，優(yōu)化合適的工藝參數(shù)，才能既完全切割極片，又形成良好的切邊質(zhì)量，不產(chǎn)生金屬切屑雜質(zhì)殘留。
圖7單面涂層的負極在激光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
主要參考文獻：
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
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