鋰電十大關鍵設備之五：分切設備

2023年10月24日鋰電筆記瀏覽量：0

分切又稱分條，指對涂布完成的較大幅寬的膜片進行縱向分切，將其一分為多，并收卷成一定寬度規格的上、下單卷的過程。分切產品主要受到切刀質量、切刀角度以及膜片張力的影響。

1、分切設備的指標

分切設備也稱分條機或縱切機，指在恒定張力的情況下將鋰離子電池極片、聚合物電池極片、鎳氫電池極片及有色金屬板材或卷材分切至所需要的尺寸規格，并保證一定工藝要求的生產設備。電池極片分切的尺寸精度高，同時極片邊緣毛刺小，否則會產生枝晶刺穿隔膜，造成電池內部短路，其性能指標主要有分切精度、分切裝機精度、刀模調整范圍等。

(1)分切精度

分切后極片縱向毛刺≤7μm，橫向毛刺≤12μm，極片切口處無分層、褶皺現象，幾何尺寸線性公差滿足電池工藝要求，主要指刀軸及分切刀片的尺寸公差及圓跳動、同軸度。

(2)分切裝機精度

分切設備裝配調試完成后空載檢測的導輥和刀模精度，主要指導輥表面粗糙度Ra＝0.4，導輥圓柱度≤0.03mm，導輥安裝后全跳動≤0.05mm和刀模組件裝配后的跳動≤10μm。

(3)刀模調整范圍

分切設備上下刀片之間在分切材料部位可調整距離的變化范圍。

2、分切設備的組成及關鍵結構

2.1 分切設備的組成

分切設備主要由放卷裝置、放卷張力控制、放卷糾偏控制、接帶、CCD外觀缺失檢測系統、分切、分切后寬度檢測系統、除塵、收卷張力檢測、貼標裝置、收卷裝置及電氣系統等構成。

標準配置全自動鋰電分切設備為機架立式安裝，采用上下雙滑差軸同向中心收卷方式，收卷、放卷的夾緊及刀模、壓輥的動作全為氣動控制，操作簡便快捷。單電機變頻驅動，同步帶傳動，運行平穩可靠，噪聲小；磁粉離合器制動器控制放卷，這樣張力控制精度高、響應快、可調范圍廣，分切設備組成如圖1所示。

鋰電十大關鍵設備之五：分切設備

圖1 標準機型分切設備結構示意圖

1—后墻板；2—前墻板；3—底座；4—電柜；5—放卷裝置；6—糾偏裝置；7—接帶平臺；8—刀模；9—刷粉裝置；10—收卷壓輪裝置；11—收卷滑差軸裝置

① 機體。采用優質碳素結構鋼焊接制作，用于支撐分切設備的機架和電柜，前后墻板用連接梁連接后，立式固定在底座上。

② 放卷裝置。放卷采用氣脹軸方式，通過在放卷氣脹軸端連接一個磁粉制動器，給放卷軸一個與牽引方向相反并且可以控制的阻力從而實現放卷張力。

③ 糾偏裝置。采用單感應探頭尋邊糾偏，選用高精度糾偏系統，糾偏精度±0.1mm，糾偏行程≥120mm。傳感器位置調節機構采用螺桿調節，并且配數顯刻度尺以及手柄式鎖緊機構。

④ 接帶平臺。接帶平臺縫隙寬度1mm，深度＞10mm，氣動壓桿壓緊極片，接帶平臺增加5.0mm黑色賽鋼，增加刻度標尺，基準0刻度與刀模基準隔套寬度對應，手工進行材料接合，需保證極片正常走帶時距接帶平臺和壓條距離為10mm，增加防呆措施，開機時如果壓桿處于下壓狀態，須有報警并提示的功能，解除報警才可開機。

⑤ 刀模。上刀與下刀間隙方便固定，刀模采用單軸傳動。兩主軸材料40Cr，底板和支座S136鋼，表面淬火硬度HRC50以上，刀模整體外觀無銹漬，刀模入口調節輥刻度指示要求，入料輥的直徑?50mm，最下點與下刀片最高點在同一水平位置時，刻度指示為零，上調為正，下調為負，刀模調節輥刻度尺按±5mm制作，調節輥材料為鋁合金，表面茶色陽極硬化處理，硬度不小于HRB300，兩端支座采用螺桿結構，上下可調，刻度指示為零，分路輥相對零位調節采用正負角度表示，調節范圍±3°。

⑥ 刷粉裝置。采用可拆卸式毛刷輥，使用夾式安裝，軸孔固定，拔銷傳動，拆裝簡單；毛刷刷毛采用軟質尼龍毛，防止硬度過大而損傷極片；毛刷輥為盤繞式植毛，植毛密度大，保證除塵效果；毛刷轉動方向為逆極片走帶方向，以增強除塵效果；毛刷除塵裝置工作時左右兩毛刷相互嵌入，以保證刷毛有效接觸極片并施加一定的壓力，且有足夠的彈力，確保極片除塵的有效性。兩毛刷相互嵌入深度為2～3mm（通過調整除塵盒邊緣密封材料厚度控制），兩毛刷中心距需要用刻度（標識）進行表示，毛刷可上下移動50mm，利于穿帶，有10mm位置精確調節有利于除塵效果調節。毛刷轉速為0～300r/min可調。

⑦ 收卷壓輪裝置。上下收卷軸各一套壓輪機構，壓輪表面鍍鉻或噴陶瓷處理，避免極片分切后出現翻邊現象。

⑧ 收卷滑差軸裝置。上下兩根收卷滑差軸，利于差速軸收卷，配隔層板，可進行張力×條數的量化設置，并根據不同分切寬度自動調整張力基數，能自行設定張力基數，持續保證張力恒定、穩定，連續分切不會造成斷帶。

2.2 分切設備的關鍵結構

分切設備關鍵機構主要有收放卷的恒張力控制機構、滑差軸機構和糾偏機構等。

1）恒張力控制結構

① 恒張力控制原理。對于分切極片收放卷過程中，放卷卷徑減小，收卷卷徑增大，卷徑的變化在電機恒轉速控制條件下張力會不斷變化，可能導致張力過小材料褶皺或者張力過大拉斷。為避免這種問題，材料在收放過程中恒張力是必要的，恒張力控制的實質是在張力不變的情況下，調整電機的輸出轉矩隨卷徑變化而變化。電機轉矩控制通過變頻器和三相異步電機實現，臺達V系列變頻器提供了三路模擬量輸進端口：AUI、AVI、ACI。這三路模擬量輸進端口能夠定義為多種功能，一路作為轉矩給定，另外一路作為速度限制。0～10V對應變頻器輸出0至電機額定轉矩，這樣通過調整0～10V的電壓就能夠完成恒張力的控制。

② 張力與轉矩的計算。由圖2動力學分析得：

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圖2 張力與轉矩的計算

FD/2=Ti

式中 F——張力；D——卷徑；T——電機轉矩；i——減速比。

電機額定轉矩表達式為：

T=9550P/n

式中 T——電機的額定轉矩，N·m；P——電機的額定功率，kW；n——電機的額定轉速，r/min。

③ 電機同步轉速計算。由于已知變頻器工作在低頻時，分切機交流異步電機的特性不好，激活轉矩低而且分線性，因此在收卷的整個過程中要盡量避免收卷電機工作在2Hz以下。因此收卷電機有個速度的限制。對于4級電機，其同步轉速計算如下：

n=60f/p=60×2/2=60r/min

式中 f——電源頻率，Hz；n——收卷電機轉速，r/min；p——電機磁極對數。

④限速運行。系統采用張力控制時，分切機要對速度進行限制，否則會出現飛車，因此要限速運行。極片運行速度V的表達式為：

V=πDn/i

式中 D——收卷的最大卷徑，m；n——轉速，r/min；i——傳動比。

⑤ 自動張力控制器。自動張力控制器，主要由張力檢測器、高精度A/D和D/A轉換器、高性能單片機等組成。該自動恒張力控制器是根據張力檢測器測量到卷料的張力與設定的目標張力相比較后，經單片機PID運算自動調整D/A輸出從而改變磁粉離合，制動器的勵磁電流或伺服電機的轉矩實現卷料的恒張力，可廣泛用于各種需對張力進行精密測控的場合，具有使用靈活和適用范圍廣等特點。可以自動與手動自由切換，工作人員在使用過程中可根據實際需要進行自動或者手動的切換。

⑥ 收卷錐度張力。極片分切收放卷通常采用恒定張力卷取的控制方式，即放卷機在對極片開始纏繞、卷取進行以及結束卷取整個過程始終采用恒定張力運轉；但由于卷取時一般都會在收卷裝置安裝套筒，而套筒對材料的卷取會有比較明顯的反作用力，如果采用恒定張力卷取，則很容易造成極片纏繞中心突出現象，甚至損壞設備。如采取錐度張力控制方案，則可很大程度地解決上述問題，如圖3所示錐度張力曲線呈現為1個尖頂錐狀，能夠在卷心形成較大張力，而隨著材料卷直徑變大，使外層張力逐漸減小，卷取時通過張力的控制對材料卷子進行“內緊外松”的卷取從而滿足材料卷取的工藝要求。

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圖3 錐度張力示意圖

張力錐度公式：

F=F0×[1-K(1-D0/D)]

其中 F——實際輸出張力，N；F0——設定張力，N；K——張力錐度系數；D0——最小卷徑，m；D——當前卷徑，m。

2）糾偏控制結構

① “跑偏”現象。極片在收放卷時，由于極片涂布不均勻、極片縱向張力不均勻、極片邊緣不整齊、輸送輥與輥之間安裝不平行、輸送輥錐面極片與輥面摩擦力過大等原因，導致極片在輸送過程中出現“跑偏”現象，為避免跑偏現象，在分切機收放卷裝置上安裝糾偏裝置。

② 糾偏方法。按糾偏設備安裝位置不同，可以分為雙邊糾偏和單邊糾偏兩種。

雙邊糾偏：特別對邊緣不整齊、有錯層或塔形的極片，或者在放卷過程中極片不易對準機組中心線等放卷機多選用雙邊糾偏。雙邊糾偏一般有兩種形式。一種方式是雙檢測光頭系統，即對中系統，簡稱CPC(center position control)，如圖4所示。兩組檢測光頭，對稱于機組中心線設置，通過一根正反扣螺桿由一臺步進電機帶動做反向運動，即同步向內或向外運動。當極片開始穿帶進入機組后，光頭向內移動，當其中只有一個光頭檢測到帶邊時，說明極片已偏向了此方向，同時發出信號，移動放卷機帶動極片移動，直到兩邊光頭都檢測到極片兩邊輸出相等時，光頭停止移動，放卷機停止移動，極片已處于中心位置。

這種方式的優點是放卷操作時不需要考慮帶卷寬度系統可以做到自動對中心。另一種方式是通過檢測極片的邊部位置進行控制，使送入機組的極片邊部位置固定，簡稱為EPC(edge position control)。光頭架裝在機組傳動側。首先根據來料的寬度，預先設置好檢測光頭的位置。當放卷極片送入機組后，檢測光頭根據被極片遮蓋情況（全蓋、全亮、半蓋的程度）發出信號，移動放卷機使極片一邊邊部始終處在光頭半遮蓋位置。這種方式的優點是單光頭，光頭裝置相對簡單一些，但是在操作前必須根據不同的帶寬，預先調節好光頭的原始位置。

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圖4 雙邊糾偏系統

1—電控柜；2—位置控制檢測器；3—C形架；4—發送光源；5—放卷機；6—中心位置檢測器；7—移動液壓缸；8—液壓站／伺服閥；9—極片

單邊糾偏：對于邊緣比較整齊的極片多采用單邊糾偏。邊部平齊的極片在運輸和處理過程中不容易受到損傷，為了達到卷齊都是采用一組光頭檢測邊部。檢測光頭的設置位置可以在放卷機上伸出一個臂來安裝光頭，光頭隨收卷機一起移動（圖5）；也可以在機組出口偏導輥附近單獨地設置一個光頭座。一組絲桿通過一個步進電機帶動光頭，或者移動整個光頭支座，在移動座上帶有位置傳感器。這兩種方式的工作過程如下：當極片送到卷筒軸上并咬住頭之后，檢測光頭送進，直到檢測到帶卷邊部遮住一半光源為止，同時自動投入閉環控制系統。當帶邊位置發生變化時，檢測光頭繼續跟隨，并隨時將偏移值輸入控制系統，使放卷機糾偏移動油缸也同方向移動相同距離，最后達到收卷齊的目的。

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圖5 單邊糾偏裝置

1—液壓站／伺服閥；2—電控柜；3—位置控制檢測器；4—極片；5—偏導輥；6—發送光源；7—收卷機；8—中心位置檢測器；9—移動液壓缸

3）滑差軸分切結構

滑差軸是利用軸上各個滑差環打滑的原理，使軸上多個卷筒料始終保持張力平衡，完成收放卷工作。滑差軸的主要用途是在收卷流程中對材料的拉力調整，通過在卷軸運行時保持所有料卷適當的張力，在電池極片應用方面，滑差軸收卷大大提高了良品率，降低了生產成本，是鋰電池分切機（分條機）上的重要零部件。

① 工作原理。中心氣壓滑差軸是張力調節式滑差軸，滑差環獨立打滑。滑差軸以精密空芯通氣主軸為核心，利用壓縮空氣推動腔體內的活塞，使軸芯通過摩擦件與滑差環之間產生摩擦轉矩，進一步帶動斜契底座上的斜脹片向外徑方向擴張，擠壓收卷筒，傳遞收卷筒的扭矩，從而達到恒張力卷取。

② 主體結構。滑差軸結構特殊，由多個滑差環組成，工作時，滑差環受控以一定的滑轉力矩值（扭矩）打滑，滑動量正好補償產生的速度差，從而精確地控制每一卷材料的張力，得以恒張力卷取，保證了卷取質量。可應用于由極低到最高張力的范圍，適用于高速、材料厚度誤差大、多段張力控制、張力控制精度高、端面收卷整齊的要求。最適合雙軸中心卷取式分切機使用。

③ 代表產品。日本東伸滑差軸、西村滑差軸。其控制精度高，成本相對較高。滑差軸的主要單元是氣脹單元（由腔體、斜契底座、活塞、氣封、軸承和彈簧及脹片組成），每組單元長度40mm，18組單元可任意位置互換和獨立更換，從而提高了使用壽命和檢修的方便性。

④ 材質工藝。產品本體由調質模具鋼或鋁合金硬質氧化制作，橡膠脹片用耐高溫耐磨聚氨酯材料硫化制作，具體依據最大張力要求而定。可根據要求制定不同尺寸的滑差軸，包括主軸、氣脹單元、脹片、彈簧、十字聯軸器等零部件。

⑤ 使用說明。滑差軸有效提高了分切機的速度、收卷精度、自動化程度，準備時間減少，操作更人性化。應用滑差軸收卷更是大大提高正品率，降低生產成本。我們的滑差軸可以保證最高料卷質量，通過在卷軸運行時保持所有料卷適當的張力。

3、分切設備的選擇與應用案例

(1) 設備選擇

分切機選用考慮分切精度、分切裝機精度和刀模調整范圍等。

(2) 應用案例

極片來料寬度≤750mm，收放卷直徑為?600mm，最窄分切寬度30mm，帶CCD檢測系統設備運行速度50m/min的C型全自動鋰電分切設備。CCD檢測系統用于檢測極片的破損、褶皺等問題。

4、分切設備使用與維護

(1) 分切機的使用

以某公司65型分切機為例，介紹分切機的使用。圖6為系統主界面，單擊“進入系統”進入該系統，其操作按鈕界面如圖7所示，各功能按鈕說明如下。

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