基于鋰電超薄基材沖模的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王磊　張潔　梁成成　李少軍

中航鋰電（洛陽(yáng)）有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003

摘要：近年來(lái)，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車所造成的環(huán)境問題使人們將視野投向了新能源汽車。純電動(dòng)汽車以其能真正實(shí)現(xiàn)“零排放”而成為電動(dòng)汽車的重要發(fā)展方向。鋰離子電池憑借其優(yōu)良的性能，成為了新一代電動(dòng)汽車的理想動(dòng)力源。而“切片”作為鋰離子電池的一個(gè)重要工序，其生產(chǎn)過程的質(zhì)量直接影響電池性能，作為切片主要執(zhí)行部件的“沖模”其制造精度直接決定電池質(zhì)量。

The optimization design of the timming die based ultrathin material of the lithium ion batteries

Wang lei, Liang Cheng-cheng, Li Shao-jun

（China Aviation Lithium Battery Co.,Ltd.,Henan,Luoyang471003,China）

Abstract：In recent years, the environmental problems caused by the conventional internal-combustion engines have led people to focus on the new energy vehicles. Pure electric vehicle is an important development direction because of its real “zero emission”. With its excellent performance, lithium-ion battery has become the ideal power source for the new generation of electric vehicles. The "Die cutting", as an important process of lithium-ion battery, its quality of production process directly affects the quality of the battery performance. The trimming die, which is the executive component in slice, its manufacturing precision determines the quality of the battery.

Key　words: lithium ion battery； trimming die； die cutting

鋰電池切片工序簡(jiǎn)介

組成鋰電池正負(fù)的物質(zhì)稱之為極片，以磷酸鐵鋰電池為例來(lái)講，正極材料包含集流體（鋁箔）和磷酸鐵鋰活性物質(zhì)，將磷酸鐵鋰的漿料均勻涂覆于鋁箔的兩面并經(jīng)過干燥等若干工序形成了極卷，極卷再經(jīng)過沖模的沖切形成極片，其基本示意如下：

圖1 極片示意

負(fù)極包含集流體（銅箔）和石墨，成型后形狀同正極類似。極耳部位為裸露的銅、鋁箔，厚度為5-30μm，涂覆區(qū)為兩面涂滿活性物質(zhì)的銅、鋁箔，其厚度為100-200μm。切片工序即切掉兩極耳中間的物質(zhì)。

從圖上可以看出切掉的部分既有裸露的集流體也有涂覆區(qū)，因此沖模的設(shè)計(jì)必須考慮超薄基材的沖切，同時(shí)也要考慮在沖切涂覆區(qū)時(shí)不能對(duì)需保留的涂層造成破壞。在生產(chǎn)中常常遇到的質(zhì)量問題即為沖切時(shí)產(chǎn)生毛刺和涂覆區(qū)掉料。

產(chǎn)生質(zhì)量問題的原因分析

沖切時(shí)被沖切材料的分離過程分為三個(gè)階段：彈性變形階段、塑性變形階段和剪切分離階段。沖切完成后材料斷面如下圖所示：

圖2 沖切斷面示意

R-塌角高度 B-光亮帶高度 F-撕裂帶高度 h-毛刺高度 α-斷裂角 t-板材厚度

對(duì)于沖切后的斷面，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響的主要是毛刺高度和塌角高度，塌角高度過大會(huì)導(dǎo)致涂覆的材料脫落，造成掉料現(xiàn)象，而毛刺高度主要影響電池的安全性，會(huì)造成電池內(nèi)部短路，造成電池報(bào)廢，因此控制塌角和毛刺的高度是切片模具的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。

模具沖裁間隙的選擇

沖裁間隙也就是凸、凹模兩面之間的間距，他的大小不僅會(huì)影響沖裁件的質(zhì)量，而且還對(duì)沖裁力，推件力，卸料力以及模具的壽命等都有很大影響。因此保證合理的沖裁間隙是模具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

那么針對(duì)鋰電領(lǐng)域我們做如下分析：

1、被沖切的基材為鋁箔，鋁金屬具有軟、粘的特性，所以用較小的沖裁力就可以實(shí)現(xiàn)裁切，但是沖切過程的鋁屑易粘刀，并且不易脫落；

2、在這切片的這個(gè)過程中“毛刺”是影響電池安全性的一個(gè)關(guān)鍵因素，所以應(yīng)盡量增加光亮帶B的高度。

3、針對(duì)沖切斷口在影響測(cè)量?jī)x下觀看，可以發(fā)現(xiàn)部分鋁屑的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，足以達(dá)到影響產(chǎn)品質(zhì)量，鋁屑如下圖所示。

圖3材料沖切斷面放大圖

按一般方法，沖裁模的單邊間隙一般取材料厚度的5％-10％，按箔材為20μm計(jì)算，沖裁間隙應(yīng)為1-2μm。但如圖2所示，右側(cè)的金屬屑為橫向粘連在箔材上，在沖切過程中金屬絲更薄，所以沖裁間隙比理論間隙要小，應(yīng)在0-1μm這個(gè)區(qū)間。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了方便調(diào)節(jié)涂覆寬度，現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備做了兩個(gè)模具同時(shí)兩邊沖切的設(shè)計(jì)，如下圖所示：

圖3 現(xiàn)場(chǎng)沖切方式示意

由于料帶要在模具中間穿過，所以，設(shè)備結(jié)構(gòu)決定了模具必須為偏心結(jié)構(gòu)，而且裁切位置也不位于模具中心。此種模具由于其結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性一般只用于低精度生產(chǎn)，而我們使用的模具要求沖切間隙為1μm，所以生產(chǎn)中此工序產(chǎn)生了大量的廢料，無(wú)法滿足生產(chǎn)需求。

為提高合格率我們對(duì)現(xiàn)有模具進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，如下圖所示：

圖4 模具新老結(jié)構(gòu)對(duì)比

優(yōu)化后提高了模具的穩(wěn)定性，大大提高了生產(chǎn)效率。

結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)使用中存在的問題，分析了現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)環(huán)境，我們對(duì)模具的進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，但受限于設(shè)備和檢測(cè)手段，我們盡量把模具的間隙控制的更好，主要靠制造經(jīng)驗(yàn)來(lái)保證精度，另外沖切速度也會(huì)對(duì)沖切質(zhì)量產(chǎn)生影響，更快的沖切速度會(huì)得到更好的成型質(zhì)量。

參考資料

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