Was ist das Schneiden von Elektroden bei Lithium--Ionenbatterien?
Methoden zum Schneiden von Elektroden
Schlitzen wird in der mechanischen Bearbeitung als Scheren bezeichnet und kann je nach Form der Schneidwerkzeuge in Scherverfahren wie Schrägschneiden, Schneiden mit flachem Messer, Rotationsscheren (oder Rollenschneiden) und Scheibenscheren unterteilt werden.
Beim Scheren mit schrägen-Messern gibt es einen festen Winkel zwischen den oberen und unteren Messern, und der Neigungswinkel beträgt im Allgemeinen 1 Grad bis 6 Grad. Im Allgemeinen ist die obere Klinge geneigt, wie in Abbildung 7-2(a) dargestellt. Da Ober- und Untermesser nicht parallel sind, wirkt entlang der Schnittrichtung eine Kraft, die leicht zu einer Verformung der Schnittkante führt. Die Scherfläche ist jedoch klein und die Scherkraft und der Energieverbrauch sind geringer als beim Scheren mit flachen -Blättern. Daher wird es zum Scheren dicker Bleche in großen und mittelgroßen Schermaschinen verwendet und im Allgemeinen nicht zum Schneiden von Elektroden.
Das Scheren mit flachen -Blättern hat die gleiche Struktur wie das Scheren mit schrägen -Blättern, mit der Ausnahme, dass die oberen und unteren Messerkanten parallel sind, wie in Abbildung 7-2(b) dargestellt. Es erzielt einen verzerrungsfreien Schnitt und weist eine gute Schnittqualität auf, allerdings ist die Scherkraft groß, und es wird hauptsächlich in kleinen Schermaschinen und zum Stanzen dünner Platten und Folien[1-2] sowie zum Querschneiden von Elektroden verwendet.
Das rotierende Scheren wird auch als Bogenkanten-Rollschneiden bezeichnet, bei dem Werkzeuge mit einer bogenförmigen Kante verwendet werden. Die Werkzeuge schließen den Schervorgang ab, indem sie sich um zwei feste Achsen drehen und rollen, wie in Abbildung 7-2(c) dargestellt. Es wird hauptsächlich zum Querschneiden mit fester{6}Länge-, Kopf- und Endquerschneiden und Kantenschlitzen verwendet. Im Allgemeinen zeichnet es sich beim Scheren mittlerer und dicker Bleche durch hohe Qualität, geringen Energieverbrauch, lange Lebensdauer und hohe Leistung aus[3].
Das Scheibenscheren wird durch die kontinuierliche Drehung zweier scheibenförmiger Schneidräder, eines oben und eines unten, abgeschlossen, wie in Abbildung 7-3 dargestellt. Beim Scheren gelangt das abgewickelte Elektrodenblech in die Öffnung des Scheibenschneiders und wird nach dem Schneiden in mehrere Streifen geteilt[1]. Scheibenscheren werden häufig zum Längsschneiden dünner Platten, dünner Filme und Metallfolien eingesetzt.
Bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien wird beim Längsschneiden (Schlitzen) von Elektrodenblechen üblicherweise eine Scheibenschere eingesetzt, während beim Querschneiden eine flache{2}Messerschere zum Einsatz kommt. Automatisierte Produktionslinien führen normalerweise zuerst das Schlitzen und dann das Querschneiden durch. Generell werden an das Schlitzen von Lithium-Ionen-Batterie-Elektrodenblechen folgende Anforderungen gestellt:
① Hohe Maßgenauigkeit des Elektrodenblechs;
② Die Kanten des Elektrodenblechs sind flach und gratfrei, weisen nur wenige Mängel auf und die Elektrodenbeschichtung ist nicht beschädigt.
③ Hohe Ausbeute und hohe Produktionseffizienz.
Verfahren zum Schneiden von Elektrodenblechen
Bei Kunststoffmaterialien kann der Schervorgang in drei Phasen unterteilt werden[5-6]:
① Die Klinge beginnt, sich in die Platte zu drücken, und das Plattenmaterial zwischen den Schnitten erfährt eine plastische Verformung und ein Fließen, bis das Ausmaß der plastischen Verformung die Grenze der plastischen Dehnung erreicht. Dies wird als erste Stufe bezeichnet. Während dieser Phase wird das Plattenmaterial geschert, wodurch eine glatte Scheroberfläche entsteht, siehe Abbildung 7-4(a).
② Die Klinge drückt weiter in die Platte, und zwischen den Schnitten entstehen Risse, breiten sich aus und dringen in das Plattenmaterial ein. Das Plattenmaterial zwischen den Schnitten reißt unter Einwirkung der Zugspannung, bis Ober- und Untermesser auf der gleichen horizontalen Ebene liegen. Dies wird als zweite Stufe bezeichnet. In diesem Stadium wird das Plattenmaterial zerrissen und bildet eine stumpfe Bruchfläche, siehe Abbildungen 7-4(b) und (c);
③ Die Klinge drückt weiter nach unten. Aufgrund des plastischen Fließens wird das Plattenmaterial zwischen den Schnitten in den kleinen Spalt extrudiert, in dem sich die Klingen überlappen. Mit zunehmender Überlappung der Klingenschnitte wird das Plattenmaterial im Spalt zerrissen und abgezogen, wobei sich an der Kante Grate bilden (siehe Abbildung 7-4(d), bis sich die Werkzeuge trennen. Dies wird als Gratbildungsstadium bezeichnet. Während des Werkzeugtrennvorgangs üben die Werkzeuge eine glättende oder extrudierende Wirkung auf das Plattenmaterial aus, wodurch sich die Morphologie der stumpfen Bruchfläche und der Grate ändert, die Änderung ist jedoch gering.
Der Scherquerschnitt-nach dem Schneiden ist in Abbildung 7-5 dargestellt und besteht aus drei Teilen: der glatten Scherfläche, der matten Bruchfläche und dem Kantengrat[5-6]. Die stumpfe Bruchfläche wird auch spröde Bruchfläche genannt. Seine Breite hängt mit der Plastizität des Materials zusammen. Bei Materialien mit besserer Plastizität ist die stumpfe Bruchfläche kleiner, die glatte Scherfläche größer und der erzeugte Metallfluss größer, wodurch er anfälliger für Grate ist. Umgekehrt gibt es bei spröden Materialien keine glatte Scherfläche.
