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紫外激光切割鋰電池極片與模切工藝

發布時間：2018-10-10 來源：元祿光電

鋰離子電池極片經過漿料涂敷，干燥和輥壓之后，形成集流體及兩面涂層的三層復合結構。然后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采用以下三種：（1）圓盤剪分切，（2）模具沖切，（3）紫外激光切割。

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、涂層脫落等，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。

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。涂層顆粒通過粘結劑連接在一起，在沖切工藝過程中，在應力作用下涂層顆粒之間剝離，金屬箔材發生塑形應變，達到斷裂強度之后產生裂紋，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系

3、紫外激光切割

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定，導致極片裁切品質差，引起電池性能下降。紫外激光切割機具有生產效率高，工藝穩定性好的特點，已經在工業上應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，孔洞連續形成寬度很窄的切縫，完成對極片的切割。

其中，激光能量和激光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是不同的紫外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構，而且涂層與金屬箔材之間性質差異大，對激光作用的響應也不相同。激光作用在負極石墨層或正極活物質層時，由于它們具有很高的激光吸收率，導熱系數也很低，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，石墨主要發生汽化，當激光侵入到金屬銅箔時，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）切邊涂層脫落，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，當采用激光切割時，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。