智数汽车大数据麦克恒通汽车轻量化在线
查看: 1810|回复: 0
收起左侧

[电池材料] 汽车动力电池极片切割工艺与装备

[复制链接]
发表于 2015-10-21 09:16:28 | 显示全部楼层 |阅读模式
<

亲,赶快注册吧,有更多精彩内容分享!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
       

汽车动力电池极片切割工艺与装备

汽车动力电池极片切割工艺与装备

        图1  动力电池极片冲切装备组成系统

        动力电池极片激光切割工艺及装备相较模切工艺及装备优势非常明显。采用非接触式切割,能够保证切割后极片的质量,不产生毛刺和掉粉;极片尺寸精度以及一致性也能得到保证。
        现阶段,动力锂电池均采用叠片式结构,即把多层(数量从十几张到几百张不等)正、负极极片单体交错叠放,再在正、负极极片间放置绝缘隔膜,然后把所有正极片极耳压接到正极极耳端子上,把所有负极片极耳压接到负极耳端子上,最后把正、负极极片装入电池壳,化成、封装处理即成动力锂电池。国内动力锂电池的生产技术虽然已日趋成熟,但其正、负极极片单体的制备一直是汽车动力电池生产技术的难题之一,也是各大电池生产企业以及电池装备生产企业不断探索的工艺及装备问题。
        制备动力锂电池正、负极极片单体时,需要特定的装备才能切割出所需形状尺寸的极片,而且极片切割的质量(是否有毛刺、掉粉等)和极片尺寸的一致性都直接影响动力电池的使用寿命及电池质量。目前,国内大多数动力电池生产企业均采用传统的模切成形装备切割动力电池极片,也有部分电池装备企业和激光企业开始研究采用激光对汽车动力锂电池极片进行非接触式切割。
        极片模切成形
        1.极片模切工艺
        模切压痕加工工艺,最初适用于各类印刷品的表面加工。模切工艺可以把印刷品或者其他纸制品按照事先设计好的图形制作成模切刀版进行裁切,从而使印刷品的形状不再局限于直边直角。模切一般分两种:
        (1)钢刀模切是定制模切最常用的形式,其方法是按客户规格要求做成仿形“钢刀”,以冲压方式切出零部件。
        (2)旋转模切主要用于大宗卷材切削。旋转模切适用于软性到半硬性材料,将材料压进圆柱形模具和圆柱形铁砧上的刀刃间实现切割。该形式常用于衬垫模切。采用旋转模切成本低、加工快速、产量高且材料损耗低。
        目前动力电池极片是将正、负极材料均匀涂覆在铜箔(负极)和铝箔(正极)的两侧。借鉴印刷品模切加工工艺,现在成熟的动力锂电池极片切割通常是通过模切成形装备将极片切割成特定的形状。国内一些动力电池生产企业生产线上用的模切装备大多分为两类:一类是冲切,即平压平模切;一类是滚切,即圆压圆模切。
        2.极片冲切装备
        如图1所示,动力电池极片冲切装备一般由以下几部分组成:放卷系统、纠偏系统、张紧系统、驱动系统、切割系统、输送系统、取料系统及收卷系统。
        放卷系统设置在整个装备前端,通过变频电动机或磁力耦合器驱动固定极片卷材的气胀轴进行放卷动作。在放卷系统后端布置有纠偏传感器,放卷系统平台下端有纠偏执行机构,通过跟边检测纠偏系统使放出的极片料带保持一直线基准前进。通常可以成套购买纠偏系统(包括纠偏执行器、纠偏传感器和纠偏控制器),比如德国BST、E+L等国际知名品牌的纠偏系统;动力电池装备生产企业也可自行组装,比如采用基恩士光纤传感器作为纠偏传感器,伺服电动机带动滚珠丝杠副作为纠偏执行器,自行设计纠偏控制器。另外,放卷系统可与纠偏系统做成一整体并设计成移动小车的形式,方便实现料卷的推移和快速更换。
       

汽车动力电池极片切割工艺与装备

汽车动力电池极片切割工艺与装备

        图2  动力电池极片滚切装备组成系统

        张紧系统通常设置在纠偏传感器与前驱动系统之间。目前,通用的张紧系统有两种形式:一种是采用弹簧+直线导轨结构,浮辊安装在直线导轨滑块上,极片料带由浮辊张紧,该浮辊受极片料带张力变动可沿直线导轨上下滑动,滑动极限位置由限位开关检测;另一种形式是采用低摩擦气缸+电位器,导向柱将浮辊支撑,气缸连接浮辊,极片料带由浮辊张紧。该浮辊受极片料带张力变动可沿导向柱滑动,电位器输出随浮辊位置联动的信号并反馈至放卷系统的磁力耦合器的控制器或给变频器,即时改变耦合力矩或放卷速度以维持极片料带张力恒定。
        驱动系统设置在张紧系统之后包括前、后驱动两部分。前、后驱动分别置于切割系统前后,相当于前驱动部分起到送料至切割系统作用;后驱动部分起到从切割系统拉料作用,一送一拉形成间歇式上下料。前、后驱动系统均采用对辊运动形式,靠伺服电动机驱动主动辊一起带动从动辊一起相向滚动。
        切割系统设置在前、后驱动系统之间,包括电动压力机以及切割模具。在前、后驱动系统以及切割系统下设置有输送系统。
        输送系统采用高韧性、高硬度循环输送带支撑并输送动力电池正、负极极片,在前、后驱动系统主动辊的旋转运动下,循环地让附着在其上的动力电池正、负极极片向前输送。
        收卷系统同放卷系统,通过气胀轴把成品分离后的极片料带的边料收集起来。而取料系统相当于把成品极片收集起来。
        动力电池极片冲切装备是以平压平的方式将极片冲切出来。制作电池单张成形极片时,将卷状极片材料,经送料系统、纠偏系统、张紧系统通过驱动系统以及输送系统送入极片冲切装置分切成单张成形极片。用该方式冲切电池极片时,极片材料需在冲切区停留一段时间,待冲切完毕后再开始送料。因这种平压平模切过程是间歇式的,限制了生产效率的进一步提高。
        3.极片滚切装备
        如图2所示,动力电池极片滚切装备一般由以下几部分组成:放卷系统、纠偏系统、张紧系统、切割系统、输送系统、取料系统及废料系统。
        动力电池极片滚切装备在极片前后处理上与动力电池极片冲切装备相同,不同点主要是在切割系统上。与动力电池极片冲切装备相比,动力电池极片滚切装备提供了一种在两个共轭的模切滚筒对辊运动中进行高速模切成形的加工。动力电池极片滚切装备包括互相平行的模辊和刀模辊。刀模辊和模辊之间保留适当的间隙且刀模辊的表面设有可切割极片的刀模线。这对滚切对辊既起到驱动上料的作用又起到切割极片的作用。
        极片从刀模辊和模辊之间穿过并被刀模辊和模辊压紧,刀模辊和模辊二者相向滚动,极片与刀模辊、模辊二者之间产生滚动摩擦力使极片沿相应方向运动,与此同时极片被刀模辊上的刀模线切割。刀模线的形状可根据切割后极片的形状、尺寸要求进行设计。为了便于切割前在刀模辊和模辊之间装入极片,以及对极片切割时刀模辊和模辊之间的间隙距离进行控制以适应不同厚度极片的切割,还可设置可调节刀模辊和模辊之间间隙距离的调节装置。
        在刀模辊的轴向方向,刀模辊的表面可设置两个或两个以上刀模线。因此,刀模辊的一个转动周期中可同时并排切割出多个需要的极片。在极片材料的滚压模切过程中,同时进行切割的只有位于刀模辊同一母线上的刀模线的少量部位,所需作用力较小,相应的刀模线也受力较小。分布在刀模辊轴线方向的刀模线,由于刀模线滚切时是渐进挤压、切入并切断极片的,所以刀模线受力较小。因此,与平压平的模切方式比较,圆压圆式的模切方式,其模切刀模线变形很小,模切后的电池极片切边整齐,尺寸稳定一致;同时,由于刀模线受力较小,刀模线可在较大尺寸范围内分布,相比平压平模切方式可模切更大尺寸的电池极片,扩大了应用范围,并可以连续地进行滚动高速模切成形,生产效率得到了极大的提高。
       

汽车动力电池极片切割工艺与装备

汽车动力电池极片切割工艺与装备

        图3  动力电池极片激光切割装备组成系统

        极片激光切割成形
        1.极片激光切割工艺
        目前,汽车动力锂电池极片采用铜箔和铝箔作为基底材料,将正、负极材料均匀涂覆在箔片的两侧。其中,铜箔厚度约为12mm,铝箔厚度约为20mm,涂布后极片总厚度约为150mm。对于这么薄的金属材料采用激光切割,如果要保证切透极片,只能采用气化切割方式。铜和铝对激光都是高反射材料,属于激光比较难切割的金属材料;而金属材料对激光的吸收率会随着波长减小逐渐增大,因此采用越短波长的激光切割铝箔和铜箔,切割效率就会越高。铝对1064nm激光的吸收效率约为5%,对于10.6nm的CO2激光的吸收率约1.7%,铜对1064nm激光的吸收效率更低,所以采用1064nm的激光对电池极片切割是比较理想的选择。目前,能够产生1064nm激光的工业用激光器有Nd:YAG激光器和光纤激光器,Nd:YAG激光器输出一般为多模激光,经过聚焦镜后聚焦的光斑直径较大,切割时会产生较大的热影响区,不适合于汽车动力电池极片的切割。采用光纤激光器和光纤激光切割头将光斑直径聚焦到10~20mm,此时,光斑处激光的功率密度达到108W/cm2以上,当激光聚焦到动力电池正、负极极片材料上时,材料立即发生气化即完成切割。
        光纤激光器具有接近衍射极限的光束质量、高能量转换效率、高稳定性、几乎免维护、超长的使用寿命以及体积小等优点,已经广泛应用于激光切割、焊接和打标等工业制造领域。光纤激光切割装备采用光纤激光器作为光源,激光器输出激光经过准直、扩束和聚焦之后,将光斑直径聚焦到几十微米甚至几微米,很适合于精细切割。光纤激光切割采用非接触式切割方式,切缝窄、热影响区小、切边光滑且切割速度快,其诸多优点恰好可以满足汽车动力电池极片的快速切割和质量提升,是传统模切工艺的理想替代。
       

汽车动力电池极片切割工艺与装备

汽车动力电池极片切割工艺与装备

        2.极片激光切割装备
        如图3所示,动力电池极片激光切割装备一般由以下几部分组成:放卷系统、纠偏系统、张紧系统、驱动系统、切割系统、吸附系统、输送系统、取料系统及废料系统。
        极片激光切割装备与极片模切装备主要区别是在切割系统部分。从张紧系统出来的极片料带通过驱动系统送到前输送系统。其中,驱动系统主要是由两根互相平行且间距可调的橡胶辊组成。橡胶辊一般采用实心钢棍表面涂覆一定厚度的橡胶,橡胶硬度约为邵氏70~80,此硬度既可以保证对辊产生足够的摩擦力驱动极片前进又不至于划伤极片。主动辊由伺服电动机驱动并带动从动辊一起相向滚动,极片与主、从动辊之间产生滚动摩擦力使极片沿相应方向运动,从而输送到前输送系统上。由前输送系统将极片料带输送至切割系统进行切割后由后输送系统送到下一道工序。极片激光切割装备输送系统同模切装备,只是输送带没有经过中间的切割系统而是由前后两套相互独立又相互关联的系统组成。
        极片激光切割装备与极片模切装备切割系统的主要区别是有一个吸附系统。极片激光切割装备切割系统通常采用龙门架构X/Y二维工作平台。在Y轴驱动系统上安装激光切割头,在龙门架构下安装有吸附系统。当前输送系统输送过来的极片料带到达吸附板上并铺满吸附板时,真空发生器会将吸附板下腔体抽成真空从而把极片吸平并吸住。然后龙门架构X/Y二维工作平台通过X/Y方向直线运动和X/Y插补运动带动激光切割头完成对动力电池极片设定形状尺寸的切割。最后,通过取料系统把成品极片取走并通过后输送系统把废料输送至废料系统。
        各切割工艺及装备比较
        1.切割工艺比较
        现阶段判定动力锂电池极片切割工艺好坏标准主要是看切割后的极片是否有不可接受的毛刺和掉粉。
        动力电池极片是表面涂覆绝缘物质的金属片,在采用模切成形时,其金属片边缘容易产生毛刺,不可避免地会出现掉粉。边缘毛刺长度超过能接受的范围时会刺破极片上的绝缘层,造成短路,甚至爆炸,在后续工序中产生废品,浪费后续工艺的成本。现有的检验工艺是:完成切割后,由工人戴着丝质手套逐条触摸极片的边缘,若手套钩丝,则表示极片有毛刺,抛弃该极片,以避免后续损失。模切的优点是模切每一款极片,只需更换上模切刀即可;模切速度快效率高,特别是滚切,转速能达到40r/s,60~200PPM。模切无中间废料,极片无氧化,切割过程不产生额外的烟尘,一次性投入成本低。
        采用高精度光纤激光器无接触加工切割极片,几乎不对极片涂层施加外力,可以显著改善现有方法采用上下刀刃相互剪切时不可避免地会产生毛刺与掉粉的问题,可以提高电池的安全性能,还可以提高极片尺寸一致性。但激光切割极片会或多或少产生中间废料,切割采用气化不可避免会产生烟尘,而且在切割区域会产生一定的氧化。
        2.切割装备比较
        三种极片切割成形装备总体上结构原理相同,均是通过上料、切割和下料,完成整个生产周期。上料包括各种放卷系统、纠偏系统、张紧系统和输送系统等;下料包括取料系统和收卷系统等。三种极片切割成形装备主要不同点在于驱动和切割部分。
        平压平模切极片装备是间歇式工作,需停顿送料,不能连续快速模切,故工作效率低。平压平模切极片时,模切刀的工作刃口同时参与模切工作,需要很大的压力才能将材料切透分离,受力太大时模切刀易变形和受损。因此该种模切方式目前还不能模切大尺寸的极片,生产效率不高,其应用受到限制。而且,冲切刀都需要刀模,更换与维修很不方便,尤其是极片尺寸一致性受刀模的机械精度影响较大,刀模刀刃的锋利程度与产生极片毛刺的大小有密切关联。
        圆压圆模切极片装备可连续上料、切割和下料,工作效率极高。但同平压平模切极片装备类似,滚切出来的极片边缘产生毛刺、边料脱落,而且刀模同样损坏很快,频繁更换刀模或修复刀模成本高;更换刀模调试困难,操作人员劳动强度大;更换刀模后切出的极片尺寸不一致,造成电池容量不稳定,无法稳定产出合格的电池极片。
        由分析可看出,采用模切成形装备虽然效率高,一次性投入成本较低,但是模切出来的极片会产生毛刺和掉粉,而且后序需要增加检验毛刺工艺。由于极片刀模需要频繁更换或修复,极片尺寸一致性得不到保证,装备后期维护维修成本高,不利于大规模连续化生产,这些缺点都限制了汽车动力电池的生产和应用。
        动力电池极片激光切割装备正是源于上述模切成形装备的缺点而设计的。动力电池极片激光切割装备完全不会产生毛刺且几乎没有掉粉,省去了更换或修复刀模的时间和费用,提高了极片成形的一致性,保证了稳定的极片质量。而且切割形状任意,不受大小以及模具的限制,修改试样非常方便。虽然激光切割动力电池极片装备相较模切成形装备有诸多优点,但是其前期一次性投入成本高昂,且上料为间歇式进料,加工效率还有待提高。各切割工艺及装备比较如表所示。
        结语
        动力电池极片激光切割工艺及装备相较模切工艺及装备优势非常明显,采用非接触式切割,能够保证切割后极片的质量,不产生毛刺和掉粉,极片尺寸精度以及一致性也能得到保证。虽然前期一次性投入成本相对比较高,但是使用寿命长,后期维修维护成本低。如果能进一步地提高生产效率以及解决相关工艺问题,动力电池极片激光切割工艺及装备不仅能够提升电动汽车的电池质量性能而且其自身也具有极大的市场前景和效益。
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则