锂离子电池极片模切工艺简介

图7单面涂层的负极在激光作用下极片厚度 方向的铜成分
图8切边问题：露金属箔和切屑异物
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激光切割优缺点
优点：
缺点：
激光模切是利用高能量密度的激光 激光切割属热加工，用纳秒极片激
束，按设计图纸移动，快速灵活， 光切割机切割的极片会出现涂覆层
可任意更改切割图形。
收缩的现象，切割部分中间的电极
锂离子电池模切工艺 简介
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目录
1
模切目的
2
模切设备
3
常见问题分析
4
案例分析
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模切目的
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 工艺主要采用以下两种：（1）模具冲切，（2）激光切割。
图1锂离子电池正负极极片示意图
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模具冲切
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1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
优点： 设备结构简单，成本低，维修简单。
图3箔材断裂过程
缺点： 刀头易损坏，电池型号不同更换不同刀头，生产效率低。
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我公司模切设备类型为模具冲切
能 主要包括放料→纠偏→进料→模切成型→出料 所能 可
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模切设备刀模组成部分
图5不同的激光切割工艺条件下单面图层负 极极片的切边形貌
可 能 图6不同的激光切割工艺条件下单所面能图层正
极极片的切边形貌
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激光切割
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 。
层会有裸露现象。随着动力电池容
量越来越大，对电池极片要求也越
来越高，这样的产品缺陷会给产品
带来安全隐患
图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
可 能 图8切边问题：露金属箔和切屑异所物能
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锂电池极片分切工序特点
极片分切的主要缺陷极片分切断面典型形貌图，断裂面涂层主要颗粒之间相互剥离断裂，而集流体发 生塑性切断和撕裂。当极片涂层压实密度增大，颗粒之间的结合力增强时，极片涂层部分颗粒也出现被 切断的情况。极片分切中存在的主要缺陷包括以下几种： （1）毛刺毛刺，特别是金属毛刺对锂电池的危害巨大，尺寸较大的金属毛刺直接刺穿隔膜，导致正负极 之间短路。而极片分切工艺是锂离子电池制造工艺中毛刺产生的主要过程。即为极片分切产生的金属毛 刺的典型形貌，极片在分切时形成了集流体毛刺，尺寸达到100μm以上。通过切刀倒角、刀具侧向压力 以及收放卷张力的调节来控制毛刺的数量和尺寸。
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模切尺寸设计方法
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激光切割
五金模具冲切存在刀具磨损问题，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。
①保证极耳尺寸 符合工艺标准； ②调机时用低速 裁切。模切速度 根据收卷情况、 极片有无破损等 实际情况适当调 整 ③除尘滤芯定期 更换并记录；边 角料收集箱满后 及时清理。
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能 输入极耳裁切的间距，如间距等差可用右侧“间距
计算”来自动完成计算。
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为了避免这种情况出现，调刀时根据极片的性质和厚度，找到最合适的侧向压力和刀具重叠量是最关键 的。另外，通过还可以切刀倒角，收放卷张力来改善极片边缘品质。（2）波浪边极片分切时存在的掉料 和波浪边缺陷，波浪边。出现波浪边时，极片分切和卷绕时会出现边缘纠偏抖动，从而引起工艺精度， 另外对电池最终的厚度和形貌也会出现不良影响。
（3）掉粉极片出现掉粉会影响电池性能，正极掉粉时，电池容量减小，而负极掉粉时出现负极无法包裹 住正极的情形，容易造成析锂。以上品质问题主要都是通过寻找合适的调刀参数来解决。
（4）尺寸不满足要求极片分切机是按电池规格，对经过辊压的电池极片进行分切，要求分切极片尺寸精 度高等。卷绕电池设计时，隔膜要包裹住负极避免正负极极片之间直接接触形成短路，负极要包裹住正 极避免充电时正极的锂离子没有负极活物质接纳出现析锂，一般地，负极和隔膜、负极和正极的尺寸差 为2-3mm，而且随着比能量要求提高，这个尺寸差还不断减小。因此，极片尺寸精度要求越来越高，否 则电池会出现严重的品质问题。
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。