锂电十大关键设备之分切设备

2023-07-14 17:31:36 来源：锂电笔记，每日研究所

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简介：分切又称分条，指对涂布完成的较大幅宽的膜片进行纵向分切，将其一分为多，并收卷成一定宽度规格的上、下单卷的过程。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、正负极极片等分切产品主要受到切刀质量、切刀角度以及膜片张力的影响。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。

分切又称分条，指对涂布完成的较大幅宽的膜片进行纵向分切，将其一分为多，并收卷成一定宽度规格的上、下单卷的过程。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、正负极极片等分切产品主要受到切刀质量、切刀角度以及膜片张力的影响。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。

01 分切设备的指标

分切设备也称分条机或纵切机，指在恒定张力的情况下将锂离子电池极片、聚合物电池极片、镍氢电池极片及有色金属板材或卷材分切至所需要的尺寸规格，并保证一定工艺要求的生产设备。电池极片分切的尺寸精度高，同时极片边缘毛刺小，否则会产生枝晶刺穿隔膜，造成电池内部短路，其性能指标主要有分切精度、分切装机精度、刀模调整范围等。

(1)分切精度

分切后极片纵向毛刺≤7μm，横向毛刺≤12μm，极片切口处无分层、褶皱现象，几何尺寸线性公差满足电池工艺要求，主要指刀轴及分切刀片的尺寸公差及圆跳动、同轴度。

(2)分切装机精度

分切设备装配调试完成后空载检测的导辊和刀模精度，主要指导辊表面粗糙度Ra=0.4，导辊圆柱度≤0.03mm，导辊安装后全跳动≤0.05mm和刀模组件装配后的跳动≤10μm。

(3)刀模调整范围

分切设备上下刀片之间在分切材料部位可调整距离的变化范围。

02 分切设备的组成及关键结构

2.1 分切设备的组成

分切设备主要由放卷装置、放卷张力控制、放卷纠偏控制、接带、CCD外观缺失检测系统、分切、分切后宽度检测系统、除尘、收卷张力检测、贴标装置、收卷装置及电气系统等构成。

标准配置全自动锂电分切设备为机架立式安装，采用上下双滑差轴同向中心收卷方式，收卷、放卷的夹紧及刀模、压辊的动作全为气动控制，操作简便快捷。单电机变频驱动，同步带传动，运行平稳可靠，噪声小;磁粉离合器制动器控制放卷，这样张力控制精度高、响应快、可调范围广，分切设备组成如图1所示。

图1 标准机型分切设备结构示意图

1—后墙板;2—前墙板;3—底座;4—电柜;5—放卷装置;6—纠偏装置;7—接带平台;8—刀模;9—刷粉装置;10—收卷压轮装置;11—收卷滑差轴装置

①机体。采用优质碳素结构钢焊接制作，用于支撑分切设备的机架和电柜，前后墙板用连接梁连接后，立式固定在底座上。

②放卷装置。放卷采用气胀轴方式，通过在放卷气胀轴端连接一个磁粉制动器，给放卷轴一个与牵引方向相反并且可以控制的阻力从而实现放卷张力。

③纠偏装置。采用单感应探头寻边纠偏，选用高精度纠偏系统，纠偏精度±0.1mm，纠偏行程≥120mm。传感器位置调节机构采用螺杆调节，并且配数显刻度尺以及手柄式锁紧机构。

④接带平台。接带平台缝隙宽度1mm，深度>10mm，气动压杆压紧极片，接带平台增加5.0mm黑色赛钢，增加刻度标尺，基准0刻度与刀模基准隔套宽度对应，手工进行材料接合，需保证极片正常走带时距接带平台和压条距离为10mm，增加防呆措施，开机时如果压杆处于下压状态，须有报警并提示的功能，解除报警才可开机。

⑤刀模。上刀与下刀间隙方便固定，刀模采用单轴传动。两主轴材料40Cr，底板和支座S136钢，表面淬火硬度HRC50以上，刀模整体外观无锈渍，刀模入口调节辊刻度指示要求，入料辊的直径ϕ50mm，最下点与下刀片最高点在同一水平位置时，刻度指示为零，上调为正，下调为负，刀模调节辊刻度尺按±5mm制作，调节辊材料为铝合金，表面茶色阳极硬化处理，硬度不小于HRB300，两端支座采用螺杆结构，上下可调，刻度指示为零，分路辊相对零位调节采用正负角度表示，调节范围±3°。

⑥刷粉装置。采用可拆卸式毛刷辊，使用夹式安装，轴孔固定，拔销传动，拆装简单;毛刷刷毛采用软质尼龙毛，防止硬度过大而损伤极片;毛刷辊为盘绕式植毛，植毛密度大，保证除尘效果;毛刷转动方向为逆极片走带方向，以增强除尘效果;毛刷除尘装置工作时左右两毛刷相互嵌入，以保证刷毛有效接触极片并施加一定的压力，且有足够的弹力，确保极片除尘的有效性。两毛刷相互嵌入深度为2～3mm(通过调整除尘盒边缘密封材料厚度控制)，两毛刷中心距需要用刻度(标识)进行表示，毛刷可上下移动50mm，利于穿带，有10mm位置精确调节有利于除尘效果调节。毛刷转速为0～300r/min可调。

⑦收卷压轮装置。上下收卷轴各一套压轮机构，压轮表面镀铬或喷陶瓷处理，避免极片分切后出现翻边现象。

⑧收卷滑差轴装置。上下两根收卷滑差轴，利于差速轴收卷，配隔层板，可进行张力×条数的量化设置，并根据不同分切宽度自动调整张力基数，能自行设定张力基数，持续保证张力恒定、稳定，连续分切不会造成断带。

2.2 分切设备的关键结构

分切设备关键机构主要有收放卷的恒张力控制机构、滑差轴机构和纠偏机构等。

1)恒张力控制结构

①恒张力控制原理。对于分切极片收放卷过程中，放卷卷径减小，收卷卷径增大，卷径的变化在电机恒转速控制条件下张力会不断变化，可能导致张力过小材料褶皱或者张力过大拉断。为避免这种问题，材料在收放过程中恒张力是必要的，恒张力控制的实质是在张力不变的情况下，调整电机的输出转矩随卷径变化而变化。电机转矩控制通过变频器和三相异步电机实现，台达V系列变频器提供了三路模拟量输进端口：AUI、AVI、ACI。这三路模拟量输进端口能够定义为多种功能，一路作为转矩给定，另外一路作为速度限制。0～10V对应变频器输出0至电机额定转矩，这样通过调整0～10V的电压就能够完成恒张力的控制。

②张力与转矩的计算。由图2动力学分析得：

图2 张力与转矩的计算

FD/2=Ti

式中 F——张力;D——卷径;T——电机转矩;i——减速比。

电机额定转矩表达式为：

T=9550P/n

式中 T——电机的额定转矩，N·m;P——电机的额定功率，kW;n——电机的额定转速，r/min。

③电机同步转速计算。由于已知变频器工作在低频时，分切机交流异步电机的特性不好，激活转矩低而且分线性，因此在收卷的整个过程中要尽量避免收卷电机工作在2Hz以下。因此收卷电机有个速度的限制。对于4级电机，其同步转速计算如下：

n=60f/p=60×2/2=60r/min

式中 f——电源频率，Hz;n——收卷电机转速，r/min;p——电机磁极对数。

④限速运行。系统采用张力控制时，分切机要对速度进行限制，否则会出现飞车，因此要限速运行。极片运行速度V的表达式为：

V=πDn/i

式中 D——收卷的最大卷径，m;n——转速，r/min;i——传动比。

⑤自动张力控制器。自动张力控制器，主要由张力检测器、高精度A/D和D/A转换器、高性能单片机等组成。该自动恒张力控制器是根据张力检测器测量到卷料的张力与设定的目标张力相比较后，经单片机PID运算自动调整D/A输出从而改变磁粉离合，制动器的励磁电流或伺服电机的转矩实现卷料的恒张力，可广泛用于各种需对张力进行精密测控的场合，具有使用灵活和适用范围广等特点。可以自动与手动自由切换，工作人员在使用过程中可根据实际需要进行自动或者手动的切换。

⑥收卷锥度张力。极片分切收放卷通常采用恒定张力卷取的控制方式，即放卷机在对极片开始缠绕、卷取进行以及结束卷取整个过程始终采用恒定张力运转;但由于卷取时一般都会在收卷装置安装套筒，而套筒对材料的卷取会有比较明显的反作用力，如果采用恒定张力卷取，则很容易造成极片缠绕中心突出现象，甚至损坏设备。如采取锥度张力控制方案，则可很大程度地解决上述问题，如图3所示锥度张力曲线呈现为1个尖顶锥状，能够在卷心形成较大张力，而随着材料卷直径变大，使外层张力逐渐减小，卷取时通过张力的控制对材料卷子进行“内紧外松”的卷取从而满足材料卷取的工艺要求。

图3 锥度张力示意图

张力锥度公式：

F=F0×[1-K(1-D0/D)]

其中 F——实际输出张力，N;F0——设定张力，N;K——张力锥度系数;D0——最小卷径，m;D——当前卷径，m。

2)纠偏控制结构

①“跑偏”现象。极片在收放卷时，由于极片涂布不均匀、极片纵向张力不均匀、极片边缘不整齐、输送辊与辊之间安装不平行、输送辊锥面极片与辊面摩擦力过大等原因，导致极片在输送过程中出现“跑偏”现象，为避免跑偏现象，在分切机收放卷装置上安装纠偏装置。

②纠偏方法。按纠偏设备安装位置不同，可以分为双边纠偏和单边纠偏两种。

双边纠偏：特别对边缘不整齐、有错层或塔形的极片，或者在放卷过程中极片不易对准机组中心线等放卷机多选用双边纠偏。双边纠偏一般有两种形式。一种方式是双检测光头系统，即对中系统，简称CPC(center position control)，如图4所示。两组检测光头，对称于机组中心线设置，通过一根正反扣螺杆由一台步进电机带动做反向运动，即同步向内或向外运动。当极片开始穿带进入机组后，光头向内移动，当其中只有一个光头检测到带边时，说明极片已偏向了此方向，同时发出信号，移动放卷机带动极片移动，直到两边光头都检测到极片两边输出相等时，光头停止移动，放卷机停止移动，极片已处于中心位置。这种方式的优点是放卷操作时不需要考虑带卷宽度系统可以做到自动对中心。另一种方式是通过检测极片的边部位置进行控制，使送入机组的极片边部位置固定，简称为EPC(edge position control)。光头架装在机组传动侧。首先根据来料的宽度，预先设置好检测光头的位置。当放卷极片送入机组后，检测光头根据被极片遮盖情况(全盖、全亮、半盖的程度)发出信号，移动放卷机使极片一边边部始终处在光头半遮盖位置。这种方式的优点是单光头，光头装置相对简单一些，但是在操作前必须根据不同的带宽，预先调节好光头的原始位置。

图4 双边纠偏系统

1—电控柜;2—位置控制检测器;3—C形架;4—发送光源;5—放卷机;6—中心位置检测器;7—移动液压缸;8—液压站/伺服阀;9—极片

单边纠偏：对于边缘比较整齐的极片多采用单边纠偏。边部平齐的极片在运输和处理过程中不容易受到损伤，为了达到卷齐都是采用一组光头检测边部。检测光头的设置位置可以在放卷机上伸出一个臂来安装光头，光头随收卷机一起移动(图5);也可以在机组出口偏导辊附近单独地设置一个光头座。一组丝杆通过一个步进电机带动光头，或者移动整个光头支座，在移动座上带有位置传感器。这两种方式的工作过程如下：当极片送到卷筒轴上并咬住头之后，检测光头送进，直到检测到带卷边部遮住一半光源为止，同时自动投入闭环控制系统。当带边位置发生变化时，检测光头继续跟随，并随时将偏移值输入控制系统，使放卷机纠偏移动油缸也同方向移动相同距离，最后达到收卷齐的目的。

图5 单边纠偏装置

1—液压站/伺服阀;2—电控柜;3—位置控制检测器;4—极片;5—偏导辊;6—发送光源;7—收卷机;8—中心位置检测器;9—移动液压缸

3)滑差轴分切结构

滑差轴是利用轴上各个滑差环打滑的原理，使轴上多个卷筒料始终保持张力平衡，完成收放卷工作。滑差轴的主要用途是在收卷流程中对材料的拉力调整，通过在卷轴运行时保持所有料卷适当的张力，在电池极片应用方面，滑差轴收卷大大提高了良品率，降低了生产成本，是锂电池分切机(分条机)上的重要零部件。

①工作原理。中心气压滑差轴是张力调节式滑差轴，滑差环独立打滑。滑差轴以精密空芯通气主轴为核心，利用压缩空气推动腔体内的活塞，使轴芯通过摩擦件与滑差环之间产生摩擦转矩，进一步带动斜契底座上的斜胀片向外径方向扩张，挤压收卷筒，传递收卷筒的扭矩，从而达到恒张力卷取。

②主体结构。滑差轴结构特殊，由多个滑差环组成，工作时，滑差环受控以一定的滑转力矩值(扭矩)打滑，滑动量正好补偿产生的速度差，从而精确地控制每一卷材料的张力，得以恒张力卷取，保证了卷取质量。可应用于由极低到最高张力的范围，适用于高速、材料厚度误差大、多段张力控制、张力控制精度高、端面收卷整齐的要求。最适合双轴中心卷取式分切机使用。

③代表产品。日本东伸滑差轴、西村滑差轴。其控制精度高，成本相对较高。滑差轴的主要单元是气胀单元(由腔体、斜契底座、活塞、气封、轴承和弹簧及胀片组成)，每组单元长度40mm，18组单元可任意位置互换和独立更换，从而提高了使用寿命和检修的方便性。

④材质工艺。产品本体由调质模具钢或铝合金硬质氧化制作，橡胶胀片用耐高温耐磨聚氨酯材料硫化制作，具体依据最大张力要求而定。可根据要求制定不同尺寸的滑差轴，包括主轴、气胀单元、胀片、弹簧、十字联轴器等零部件。

⑤使用说明。滑差轴有效提高了分切机的速度、收卷精度、自动化程度，准备时间减少，操作更人性化。应用滑差轴收卷更是大大提高正品率，降低生产成本。我们的滑差轴可以保证最高料卷质量，通过在卷轴运行时保持所有料卷适当的张力。

2.3 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。

2.4 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。

2.5 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