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导读: 极片制作是制造锂离子动力电池的基础工艺,对设备的精度、智能化水平、生产性能的可靠性等要求非常高。

极片制作是制造锂离子动力电池的基础工艺,对设备的精度、智能化水平、生产性能的可靠性等要求非常高。极片分切机是按电池规格,对经过辊压的电池极片进行分条的装备,主要技术要求是分条后的极片不能出现褶皱、脱粉,要求分条尺寸精度高等,同时极片边缘的毛刺小,否则在毛刺上会产生枝晶刺破隔膜,造成电池内部的短路。圆盘分切刀主要有上、下圆盘刀,装在分切机的刀轴上,利用滚剪原理来分切厚度为0.01~0.1mm成卷的铝箔、铜箔、正负极极片等。这里对锂电池极片圆盘分切工艺基础知识整理,分享并与大家共同学习。

1、极片圆盘分切原理

参照金属板材圆盘分切过程,先介绍极片圆盘分切的基本原理。如图1所示,这是一对普通圆盘切刀对板材进行分切加工时的示意图。首先,当板材与上下刀片的AB点接触时,板料就会受到上下刀面的压力而产生弹性变形,并且由于力矩的存在,使板材产生弯曲,在间隙附近的材料内部产生以剪应力为主的应力。随着刀刃点A、B旋转到C、D位置时,内应力状态满足塑性条件时,产生塑性变形。随着剪切作用过程的继续进行,板材受到的剪切力越来越大,进入到剪切屈服状态,剪切变形区开始产生宏观的滑移变形,上下圆刀剪切刃开始切入材料,这时刃口附件的材料产生塑性变形(图1进料方向观测),剪切塑性滑移形成,断面光亮。随着刀盘的继续转动材料的塑性变形程度加剧,材料会出现加工硬化,其应力状态也会发生改变,因此导致材料的内部出现微观裂纹,随着变形的继续进行,这些微裂纹汇成主裂纹,转变为裂纹扩展而分离,断面形成撕裂区。

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图1 圆盘分切加工过程示意图

与金属板材分切加工比较,锂电池极片圆盘剪的裁切方式具有完全不同的特点:

(1)极片分切时,上下圆盘刀具有后角,类似与剪刀刀刃,刃口宽度特别小。上下圆盘刀不存在水平间隙(图1中所示参数c相当于负值),而是上下刀相互接触并存在侧向压力。

(2)板料分切时上下基本上都有橡胶托辊,平衡上下刀在剪切时产生的剪力和剪切力矩,避免板料的大幅变形。而极片分切没有上下托辊。

(3)极片涂层是由颗粒组成的复合材料,几乎没有塑性变形能力,当上下圆盘刀产生的内应力大于涂层颗粒之间的结合力,涂层产生裂缝并拓展分离。

2、极片分切质量影响因

影响毛刺的大小、断面形貌特征及极片尺寸精度等质量的因素有很多,根据现有的理论,可以总结为:极片的物理力学性能、极片厚度、上下成对刀具的侧向压力(图1中参数c)、上下成对刀具的重叠量(图1中参数δ)、刃口磨损状态、咬入角(图1中参数α)、圆盘刀精度等。

(1)材料物理力学性能的影响。一般说,材料的塑性好,剪切时裂纹会出现得较迟,材料被剪切的深度较大,所得断面光亮带所占的比例就大;而塑性差的材料,在同样的参数条件下,则容易发生断裂,断面的撕裂带所占的比例就会偏大,光亮带自然也较小。

(2)上下成对刀具侧向压力(图1中参数c相当于负值)的影响。在极片的分切中,刀具侧向压力是影响分切质量的关键因素之一。剪切时,断裂面上下裂纹是否重合、剪切力的应力应变状态都与侧向压力的大小关系密切。侧向压力太小时,极片分切可能出现分切断面不齐整、掉料等缺陷,而压力太大,刀具更容易磨损,寿命更短。

(3)上下成对刀具的重叠量(图1中参数δ)的影响。重叠量的设置主要与极片的厚度有关,合理的重叠量有利于刀具的咬合,其影响包括剪切质量的优劣、毛剌的大小和刀具刃口磨损快慢等问题。

(4)咬入角(图1中参数α)的影响。圆盘分切中,咬入角是指剪切段和被剪板材中心线的夹角。咬入角增加,剪切力所产生的水平分力也会增大。如果水平分力大于极片的进料张力,板材要么打滑,要么在圆刀前拱起来而无法剪切。而咬入角减小,刀片的直径就要增大,分条机的尺寸相应的也要增大。因此如何平衡咬入角、刀片直径、板料厚度以及重叠量,必须参考实际工况而定。

在极片分切工艺中,刀具的侧向压力和重叠量是圆盘切刀部的主要调整参数,需要根据极片的性质和厚度详细调整。以往的设备制造和工艺中,调刀往往缺少精确数值参数,而是凭借经验根据极片批次进行相应的调节。随着设备技术的进步,调刀技术也不断进步,并且数值化。目前出现极片分切机刀具侧向压力气缸自动调节装置,极片分切时通过设定气缸压力来调节刀具侧向压力而控制分切质量。

3、极片分切的主要缺陷

图2为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:

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图2 极片分切断面典型形貌

(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。图3所示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。表1是LiFePO4极片分切毛刺实验结果,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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图3 极片分切金属毛刺

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