锂电池制作工艺前段（下）：辊压&分切
前言：
大家好， 我是研究新能源汽车的研讨君，锂电池的生产流程一般分为前，中，后三段，在上一篇新能源汽车纪要中，我为大家介绍了锂电池制作工艺中的前段的搅拌和涂布工艺，今天我就接着给大家来介绍一下前段中的辊压 和分切 。
在正式开始今天的内容之前，先给大家做一点风险提示：
本文所有内容均是产业研究和公司研究的案例，不构成任何投资建议，不构成任何投资推荐。另外还有三点值得注意：
1、短期价格波动几乎不可预测。但巨大利益驱使下市场上会充斥神预测。
2、再好的生意，如果基本条件发生大的变化，也有失败的风险。
3、估值过高的好公司，随着流动性收紧，如果利润增长没有达到预期，也有可能长期回调。
正文开始：
前段极片制作的过程：
一、搅拌
二、涂布
（一、二点见上一篇新能源汽车系列纪要：锂电池制作工艺前段（上）：搅拌&涂布）
三、辊压
（一）什么是辊压？
辊压是指：将涂布完成的产品，经过一定间隙下、一定压力下的两个钢辊，将极片压实到指定厚度的过程。
涂布后极片厚度不变的情况下，辊的直径越大，极片越薄。极片所需要的厚度，通过张力控制双辊来实现。
（二）辊压的目的是什么？
极片在涂布、干燥完成后，活物质与集流体箔片的剥离强度很低，此时需要对其进行辊压，增强活物质与箔片的粘接强度，以防在电解液浸泡、电池使用过程中剥落。所以说辊压的目的就是将疏松多孔的电极进一步压实 ，减少物质间接触电阻，提高一定电池体积内的电池容量，同时又不能过压，因为要保证电解液对极片的浸润效果。
左图为辊压前，右图为辊压后。辊压后的结构更加稳定，颗粒之间空隙间距更小。
（三）辊压工艺有哪些关键点？
1. 厚度
如果厚度不一致，意味着活物质密度不一致，锂离子和电子在极片中传输、传导速率则会有所不同。当电流密度不同时，极易引起枝晶锂的析出，对电芯性能不利。此外，极片厚度不同时，活性物质与集流体之间的接触电阻也是不同的，极片越厚内阻越大，电池极化也就越严重，影响电芯容量。
哪些因素影响极片厚度一致性？
轧辊直线度，辊跳度，辊弯曲等。
轧辊直线度影响因素多是由于长期使用，辊有磨损。
辊跳值则是由辊的刚性有关，刚性越好，辊跳值越小。
辊弯曲是需要张力和轧件的变形抗力共同决定，轧件变形张力越大，辊弯曲越大，简单来说就是轧纸片和铁片，两者造成的辊弯曲度不一样。
2. 打皱
影响极片打皱的原因主要有导辊水平度和平行度，张力不均，收卷张力等。
3. 极片反弹
由上图可见，极片受辊压时经历了：塌陷期-初步压缩期-剧烈压缩期-受控反弹期-自由反弹期。虽然反弹是一定的，但是反弹率要尽量控制在可接受的范围，并且稳定下来，使用辊压后烘烤可以加速极片的反弹并让其尽快稳定下来。
4.过压
由于涂布时部分位置厚度过厚，辊压后则有可能出现过压的现象。过压的位置活物质颗粒出现破碎，活物质颗粒间接触紧密，在电芯充放电过程中，电子导电性增强，但离子移动通道减小或堵塞，不利于容量发挥，放电过程中极化增大，电压下降，容量减小。同时，过压后影响电解液的浸润效果，对电芯的性能也有很大的影响。
5.热辊
上图为涂敷厚度为 100 μm 的极片在不同轧制温度下的厚度曲线。
随着轧制温度由 20°C 增加为 90°C 再增加为160°C，极片厚度偏差由±1.9μm 降低为±1.3 μm 再降低为±0.8μm，极片厚度一致性逐渐提高，这是因为随着轧制温度的增加，极片涂层变形抗力减小，可塑性变好，使得极片表面厚度更加均匀。
有研究表明，热辊相对于冷辊，主要有以下作用:
1）极少极片反弹,能减少约50%;
2）可用较小的辊制力将极片压至工艺要求的厚度和面密度,最大可减少62%,一般减少35%-45%;
3）减少电池极片粘结剂微裂纹,提高粘结剂性能,提高电池循环寿命,减少因压力过大损坏箔材;
4）克服冷辊摩擦温升造成的极片厚度不一致,
5）热辊较冷辊制成极片吸液量减少7.31%,内阻减少9.46%.
（四）辊压机
辊压工艺需要用到的设备是辊压机，制作辊压机的企业有：北方华创、纳科诺尔、科恒股份、赢合科技、新嘉拓
纳科诺尔辊压机：
科恒股份辊压机：
赢合科技辊压机：
四、分切
（一）什么是分切？
分切也叫分条，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。
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。
（二）分切的目的是什么？
涂布、辊压后完成的极片很宽，所以要将极片分切成多条。
（三） 极片分切与其他普通金属板材分切有什么不同？
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，类似于剪刀刀刃，刃口宽度特别小。上下圆盘刀不存在水平间隙（图中所示参数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。
（四）分切有哪些关键点？
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（上图中参数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（上图中参数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。
5.缺陷
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。上图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，由于张力控制不稳定导致二次切削形成箔材毛刺，尺寸达到100μm以上。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，由于切刀重叠量和压力不合适，会形成波浪边和切口涂层脱落，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。
（五）分切机（分条机）
分切所需要的设备是分切机（分条机），制作分切机（分条机）的企业有：科恒股份、赢合科技、新嘉拓、先导智能等。
科恒股份分条机：
赢合科技分切机：
先导智能分切机：
参考资料：
微信公众号：高工锂电技术与应用
微信公众号：江子才
钜大锂电
电子说
各公司官网
#北方华创##赢合科技##科恒股份#
锂电池分切工序毛刺分析
1、 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，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素
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、上下成对刀具的重叠量、刃口磨损状态、咬入角、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 )咬入角的影响。 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。
3 、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。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。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。
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。
注：源于生产实践或工艺实验结果。
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