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基于锂电超薄基材冲模的优化设计

 2018-01-23
  
近年来,传统内燃机汽车所造成的环境问题使人们将视野投向了新能源汽车。纯电动汽车以其能真正实现“零排放”而成为电动汽车的重要发展方向。锂离子电池凭借其优良的性能,成为了新一代电动汽车的理想动力源。而“切片”作为锂离子电池的一个重要工序,其生产过程的质量直接影响电池性能,作为切片主要执行部件的“冲模”其制造精度直接决定电池质量。

基于锂电超薄基材冲模的优化设计

王磊 张洁 梁成成 李少军

中航锂电(洛阳)有限公司,河南 洛阳 471003

摘要:近年来,传统内燃机汽车所造成的环境问题使人们将视野投向了新能源汽车。纯电动汽车以其能真正实现“零排放”而成为电动汽车的重要发展方向。锂离子电池凭借其优良的性能,成为了新一代电动汽车的理想动力源。而“切片”作为锂离子电池的一个重要工序,其生产过程的质量直接影响电池性能,作为切片主要执行部件的“冲模”其制造精度直接决定电池质量。

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


锂电池切片工序简介

组成锂电池正负的物质称之为极片以磷酸铁锂电池为例来讲正极材料包含集流体(铝箔)和磷酸铁锂活性物质,将磷酸铁锂的浆料均匀涂覆于铝箔的两面并经过干燥等若干工序形成了极卷,极卷再经过冲模的冲切形成极片,其基本示意如下:

1 极片示意

负极包含集流体(铜箔)和石墨,成型后形状同正极类似。极耳部位为裸露的铜、铝箔,厚度为5-30μm,涂覆区为两面涂满活性物质的铜、铝箔,其厚度为100-200μm。切片工序即切掉两极耳中间的物质。

从图上可以看出切掉的部分既有裸露的集流体也有涂覆区因此冲模的设计必须考虑超薄基材的冲切同时也要考虑在冲切涂覆区时不能对需保留的涂层造成破坏。在生产中常常遇到的质量问题即为冲切时产生毛刺和涂覆区掉料。

产生质量问题的原因分析

冲切时被冲切材料的分离过程分为三个阶段弹性变形阶段塑性变形阶段和剪切分离阶段。冲切完成后材料断面如下图所示:

2 冲切断面示意

R-塌角高度 B-光亮带高度 F-撕裂带高度 h-毛刺高度 α-断裂角 t-板材厚度

对于冲切后的断面,对产品质量产生影响的主要是毛刺高度和塌角高度,塌角高度过大会导致涂覆的材料脱落,造成掉料现象,而毛刺高度主要影响电池的安全性,会造成电池内部短路,造成电池报废,因此控制塌角和毛刺的高度是切片模具的关键技术指标。

模具冲裁间隙的选择

冲裁间隙也就是凸凹模两面之间的间距他的大小不仅会影响冲裁件的质量而且还对冲裁力推件力卸料力以及模具的寿命等都有很大影响。因此保证合理的冲裁间隙是模具设计的关键。

那么针对锂电领域我们做如下分析:

1、被冲切的基材为铝箔,铝金属具有软、粘的特性,所以用较小的冲裁力就可以实现裁切,但是冲切过程的铝屑易粘刀,并且不易脱落;

2、在这切片的这个过程中“毛刺”是影响电池安全性的一个关键因素,所以应尽量增加光亮带B的高度。

3、针对冲切断口在影响测量仪下观看,可以发现部分铝屑的长度较长,足以达到影响产品质量,铝屑如下图所示。

3材料冲切断面放大图

按一般方法冲裁模的单边间隙一般取材料厚度的5%-10%,按箔材为20μm计算,冲裁间隙应为1-2μm。但如图2所示,右侧的金属屑为横向粘连在箔材上,在冲切过程中金属丝更薄,所以冲裁间隙比理论间隙要小,应在0-1μm这个区间。

针对现场情况的模具结构优化

为了方便调节涂覆宽度现场的设备做了两个模具同时两边冲切的设计如下图所示

 

3 现场冲切方式示意

由于料带要在模具中间穿过所以设备结构决定了模具必须为偏心结构,而且裁切位置也不位于模具中心。此种模具由于其结构的不稳定性一般只用于低精度生产,而我们使用的模具要求冲切间隙为1μm,所以生产中此工序产生了大量的废料,无法满足生产需求。

为提高合格率我们对现有模具进行了优化设计,如下图所示:

4 模具新老结构对比

优化后提高了模具的稳定性,大大提高了生产效率。

结束语

根据使用中存在的问题分析了现场的生产环境我们对模具的进行了结构优化但受限于设备和检测手段我们尽量把模具的间隙控制的更好主要靠制造经验来保证精度另外冲切速度也会对冲切质量产生影响更快的冲切速度会得到更好的成型质量

参考资料

1】韩英淳.简明冲压工艺与模具设计手册.2006:50-51

2】严寿康,孙伦宝刘汉贵李德华.冲压工艺及冲模设计.1993:32

3】徐洪.薄件冲裁毛刺的控制方法探讨.2002

4】张正修 张镇 赵向珍.超薄板材冲裁模设计与制造.航空制造技.2005:89~92

5】赵中华 张猛 韦习成冲裁速度对冲压件断面的影响.塑性工程学报.2010:45~49


作者联系方式:

王磊 

电话:15236190156

地址:河南省洛阳市高新区滨河北路66号(垃圾中转站对面)中航锂电(洛阳)有限公司

 

稿件来源:锂电世界  
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