極片制作是制造鋰離子動(dòng)力電池的基礎(chǔ)工藝，對(duì)設(shè)備的精度、智能化水平、生產(chǎn)性能的可靠性等要求非常高[1]。極片分切機(jī)是按電池規(guī)格，對(duì)經(jīng)過輥壓的電池極片進(jìn)行分條的裝備，主要技術(shù)要求是分條后的極片不能出現(xiàn)褶皺、脫粉，要求分條尺寸精度高等，同時(shí)極片邊緣的毛刺小，否則在毛刺上會(huì)產(chǎn)生枝晶刺破隔膜，造成電池內(nèi)部的短路[2]。圓盤分切刀主要有上、下圓盤刀，裝在分切機(jī)的刀軸上，利用滾剪原理來分切厚度為0.01~0.1mm成卷的鋁箔、銅箔、正負(fù)極極片等。這里對(duì)鋰電池極片圓盤分切工藝基礎(chǔ)知識(shí)整理，分享并與大家共同學(xué)習(xí)。

1、極片圓盤分切原理

參照金屬板材圓盤分切過程，先介紹極片圓盤分切的基本原理。如圖1所示，這是一對(duì)普通圓盤切刀對(duì)板材進(jìn)行分切加工時(shí)的示意圖。首先，當(dāng)板材與上下刀片的AB點(diǎn)接觸時(shí)，板料就會(huì)受到上下刀面的壓力而產(chǎn)生彈性變形，并且由于力矩的存在，使板材產(chǎn)生彎曲，在間隙附近的材料內(nèi)部產(chǎn)生以剪應(yīng)力為主的應(yīng)力。隨著刀刃點(diǎn)A、B旋轉(zhuǎn)到C、D位置時(shí)，內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)滿足塑性條件時(shí)，產(chǎn)生塑性變形。隨著剪切作用過程的繼續(xù)進(jìn)行，板材受到的剪切力越來越大，進(jìn)入到剪切屈服狀態(tài)，剪切變形區(qū)開始產(chǎn)生宏觀的滑移變形，上下圓刀剪切刃開始切入材料，這時(shí)刃口附件的材料產(chǎn)生塑性變形(圖1進(jìn)料方向觀測)，剪切塑性滑移形成，斷面光亮。隨著刀盤的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)材料的塑性變形程度加劇，材料會(huì)出現(xiàn)加工硬化，其應(yīng)力狀態(tài)也會(huì)發(fā)生改變，因此導(dǎo)致材料的內(nèi)部出現(xiàn)微觀裂紋，隨著變形的繼續(xù)進(jìn)行，這些微裂紋匯成主裂紋，轉(zhuǎn)變?yōu)榱鸭y擴(kuò)展而分離，斷面形成撕裂區(qū)。

圖1圓盤分切加工過程示意圖

與金屬板材分切加工比較，鋰電池極片圓盤剪的裁切方式具有完全不同的特點(diǎn)：

（1）極片分切時(shí)，上下圓盤刀具有后角，類似與剪刀刀刃，刃口寬度特別小。上下圓盤刀不存在水平間隙（圖1中所示參數(shù)c相當(dāng)于負(fù)值），而是上下刀相互接觸并存在側(cè)向壓力。

（2）板料分切時(shí)上下基本上都有橡膠托輥，平衡上下刀在剪切時(shí)產(chǎn)生的剪力和剪切力矩，避免板料的大幅變形。而極片分切沒有上下托輥。

（3）極片涂層是由顆粒組成的復(fù)合材料，幾乎沒有塑性變形能力，當(dāng)上下圓盤刀產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力大于涂層顆粒之間的結(jié)合力，涂層產(chǎn)生裂縫并拓展分離。

2、極片分切質(zhì)量影響因素

影響毛刺的大小、斷面形貌特征及極片尺寸精度等質(zhì)量的因素有很多，根據(jù)現(xiàn)有的理論，可以總結(jié)為：極片的物理力學(xué)性能、極片厚度、上下成對(duì)刀具的側(cè)向壓力（圖1中參數(shù)c）、上下成對(duì)刀具的重疊量（圖1中參數(shù)δ）、刃口磨損狀態(tài)、咬入角（圖1中參數(shù)α）、圓盤刀精度等。

（1）材料物理力學(xué)性能的影響。一般說，材料的塑性好，剪切時(shí)裂紋會(huì)出現(xiàn)得較遲，材料被剪切的深度較大，所得斷面光亮帶所占的比例就大；而塑性差的材料，在同樣的參數(shù)條件下，則容易發(fā)生斷裂，斷面的撕裂帶所占的比例就會(huì)偏大，光亮帶自然也較小。

（2）上下成對(duì)刀具側(cè)向壓力（圖1中參數(shù)c相當(dāng)于負(fù)值）的影響。在極片的分切中，刀具側(cè)向壓力是影響分切質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。剪切時(shí)，斷裂面上下裂紋是否重合、剪切力的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)都與側(cè)向壓力的大小關(guān)系密切。側(cè)向壓力太小時(shí)，極片分切可能出現(xiàn)分切斷面不齊整、掉料等缺陷，而壓力太大，刀具更容易磨損，壽命更短。

（3）上下成對(duì)刀具的重疊量（圖1中參數(shù)δ）的影響。重疊量的設(shè)置主要與極片的厚度有關(guān)，合理的重疊量有利于刀具的咬合，其影響包括剪切質(zhì)量的優(yōu)劣、毛剌的大小和刀具刃口磨損快慢等問題。

（4）咬入角（圖1中參數(shù)α）的影響。圓盤分切中，咬入角是指剪切段和被剪板材中心線的夾角。咬入角增加，剪切力所產(chǎn)生的水平分力也會(huì)增大。如果水平分力大于極片的進(jìn)料張力，板材要么打滑，要么在圓刀前拱起來而無法剪切。而咬入角減小，刀片的直徑就要增大，分條機(jī)的尺寸相應(yīng)的也要增大。因此如何平衡咬入角、刀片直徑、板料厚度以及重疊量，必須參考實(shí)際工況而定。

在極片分切工藝中，刀具的側(cè)向壓力和重疊量是圓盤切刀部的主要調(diào)整參數(shù)，需要根據(jù)極片的性質(zhì)和厚度詳細(xì)調(diào)整。以往的設(shè)備制造和工藝中，調(diào)刀往往缺少精確數(shù)值參數(shù)，而是憑借經(jīng)驗(yàn)根據(jù)極片批次進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。隨著設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步，調(diào)刀技術(shù)也不斷進(jìn)步，并且數(shù)值化。目前出現(xiàn)極片分切機(jī)刀具側(cè)向壓力氣缸自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，極片分切時(shí)通過設(shè)定氣缸壓力來調(diào)節(jié)刀具側(cè)向壓力而控制分切質(zhì)量。

3、極片分切的主要缺陷

圖2為極片分切斷面典型形貌圖，斷裂面涂層主要顆粒之間相互剝離斷裂，而集流體發(fā)生塑性切斷和撕裂。當(dāng)極片涂層壓實(shí)密度增大，顆粒之間的結(jié)合力增強(qiáng)時(shí)，極片涂層部分顆粒也出現(xiàn)被切斷的情況。極片分切中存在的主要缺陷包括以下幾種：

圖2 極片分切斷面典型形貌

（1）毛刺

毛刺，特別是金屬毛刺對(duì)鋰電池的危害巨大，尺寸較大的金屬毛刺直接刺穿隔膜，導(dǎo)致正負(fù)極之間短路。而極片分切工藝是鋰離子電池制造工藝中毛刺產(chǎn)生的主要過程。圖3所示即為極片分切產(chǎn)生的金屬毛刺的典型形貌，極片在分切時(shí)形成了集流體毛刺，尺寸達(dá)到100μm以上。表1是LiFePO4極片分切毛刺實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過切刀倒角、刀具側(cè)向壓力以及收放卷張力的調(diào)節(jié)來控制毛刺的數(shù)量和尺寸。

圖3 極片分切金屬毛刺

表1 LiFePO4極片分切毛刺實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了避免這種情況出現(xiàn)，調(diào)刀時(shí)根據(jù)極片的性質(zhì)和厚度，找到最合適的側(cè)向壓力和刀具重疊量是最關(guān)鍵的。另外，通過還可以切刀倒角，收放卷張力來改善極片邊緣品質(zhì)。

（2）波浪邊

圖4是極片分切時(shí)存在的掉料和波浪邊缺陷，波浪邊。出現(xiàn)波浪邊時(shí)，極片分切和卷繞時(shí)會(huì)出現(xiàn)邊緣糾偏抖動(dòng)，從而引起工藝精度，另外對(duì)電池最終的厚度和形貌也會(huì)出現(xiàn)不良影響。

圖4 極片分切掉料及波浪邊缺陷

（3）掉粉

如圖4所示，極片出現(xiàn)掉粉會(huì)影響電池性能，正極掉粉時(shí)，電池容量減小，而負(fù)極掉粉時(shí)出現(xiàn)負(fù)極無法包裹住正極的情形，容易造成析鋰。

以上品質(zhì)問題主要都是通過尋找合適的調(diào)刀參數(shù)來解決。

（4）尺寸不滿足要求

極片分切機(jī)是按電池規(guī)格，對(duì)經(jīng)過輥壓的電池極片進(jìn)行分切，要求分切極片尺寸精度高等。卷繞電池設(shè)計(jì)時(shí)，隔膜要包裹住負(fù)極避免正負(fù)極極片之間直接接觸形成短路，負(fù)極要包裹住正極避免充電時(shí)正極的鋰離子沒有負(fù)極活物質(zhì)接納出現(xiàn)析鋰，一般地，負(fù)極和隔膜、負(fù)極和正極的尺寸差為2-3mm，而且隨著比能量要求提高，這個(gè)尺寸差還不斷減小。因此，極片尺寸精度要求越來越高，否則電池會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的品質(zhì)問題。

4、圓盤切刀的主要失效方式

在極片分切過程中，分切圓盤刀片的質(zhì)量直接影響到極片分切的性能。分切機(jī)需要長期運(yùn)行，因此就需要分切刀片擁有較好的機(jī)械性能，如硬度、制造工藝和耐磨性等都很重要。圓盤切刀連續(xù)運(yùn)行中都存在一定的壽命，在分切工藝中需要對(duì)切刀進(jìn)行壽命管理，一般地，極片圓盤分切刀的主要失效方式為刀具磨損，如圖5所示，具體包括：

圖5 刀具磨損形貌

（1）疲勞失效

極片分切圓盤刀存在側(cè)向壓力，上下刀具在刀刃口側(cè)面相互重疊，連續(xù)分切過程中，刃口局部承受的應(yīng)力大且集中，由于頻繁的擠壓、剪切、摩擦和循環(huán)交變的機(jī)械載荷作用，在刃口區(qū)易出現(xiàn)疲勞微裂紋，繼而在循環(huán)應(yīng)力的作用下，會(huì)沿著圓盤刀側(cè)面向中心擴(kuò)展，當(dāng)裂紋增長到一定程度，應(yīng)力達(dá)到刀具材料的強(qiáng)度極限時(shí)就會(huì)造成刀具刃口的局部微破損。

（2）黏合磨損

在刀具磨損區(qū)域還能發(fā)現(xiàn)具有擠壓痕跡的黏附物，這些黏附物是極片碎屑黏附著在刀具上形成的。這是由于圓盤刀側(cè)邊與極片分切面處于接觸狀態(tài)，且有較大接觸壓力，使分切材料部分冷焊在圓盤刀側(cè)面。這些黏結(jié)層在循環(huán)分切過程中不斷脫落后又重新形成，脫落過程有可能造成刀具硬質(zhì)相的脫落，加劇磨損過程。這種情況在分切鋁箔時(shí)最容易形成，由于鋁的熔點(diǎn)低，分切屑與刀具側(cè)面黏合在一起造成刀具磨損，壽命縮短。

（3）磨粒磨損

分切屑、極片的硬度雖然低于刀具的硬度，但它們當(dāng)中常常含有一些硬度極高的微小的硬質(zhì)點(diǎn)，可在刀具表面刻劃出溝紋，這就是磨料磨損。