つい最近まで、業界を長年悩ませてきた陰極切断プロセスに質的な進歩が見られました。
積層・巻き取り工程：
近年、新エネルギー市場の活性化に伴い、発電設備容量は増加傾向にあります。電源バッテリーその設計思想や加工技術は年々増加しており、その中でも単電池の巻線工程や積層工程に関する議論は絶えることがありません。現在、市場の主流は、より効率的で低コストでより成熟した巻線プロセスの応用ですが、このプロセスはセル間の熱絶縁を制御することが難しく、セルやセルの局所的な過熱を容易に引き起こす可能性があります。熱暴走拡大の危険性。
対照的に、ラミネートプロセスは、大型の利点をよりよく発揮できます。バッテリーセル、その安全性、エネルギー密度、プロセス制御は巻線よりも有利です。さらに、積層プロセスはセルの歩留まりをより適切に制御でき、新エネルギー車のユーザー範囲がますます高くなる傾向にあるため、積層プロセスの高エネルギー密度の利点はより有望です。現在、動力電池メーカーのトップは積層シートプロセスの研究と生産を行っています。
新エネルギー車の潜在的な所有者にとって、走行距離への不安は間違いなく車の選択に影響を与える重要な要素の 1 つです。特に充電設備が完璧ではない都市では、長距離走行可能な電気自動車の必要性がさらに高まっています。現在、純粋な電気新エネルギー車の公称航続距離は一般的に 300 ～ 500km と発表されていますが、実際の航続距離は気候や道路状況に応じて公称航続距離から割り引かれることがよくあります。実際の航続距離を拡大できるかどうかは、パワーセルのエネルギー密度に密接に関係しているため、積層プロセスの競争力が高まります。
しかし、積層プロセスの複雑さと解決する必要がある多くの技術的問題により、このプロセスの普及はある程度制限されています。重要な問題の 1 つは、ダイカットやラミネートのプロセス中に発生するバリや粉塵がバッテリーの短絡を容易に引き起こす可能性があり、これが安全上の大きな危険となることです。さらに、正極材料は電池の中で最も高価な部分です (LiFePO4 正極は電池のコストの 40% ～ 50% を占め、三元リチウム正極はさらに高いコストを占めます)。そのため、効率的で安定した正極が必要となります。加工方法が見つからない場合、電池メーカーにとって多大なコストの無駄が発生し、ラミネートプロセスのさらなる開発が制限されることになります。
ハードウェアのダイカットの現状 - 消耗品が高く、天井が低い
現在、積層工程前のダイカット工程においては、ハードウェアダイパンチングを使用して、パンチと下型の間の極めて小さなギャップを利用して磁極片を切断することが市場で一般的である。この機械プロセスには長い開発の歴史があり、その応用は比較的成熟していますが、機械的な噛み込みによってもたらされる応力により、加工された材料にコーナーのつぶれやバリなどの望ましくない特性が残ることがよくあります。
バリを避けるために、ハードウェア ダイ パンチングでは、バッチ処理を開始する前に数回のテストを経て、電極の性質と厚さに応じて最適な側圧とツールのオーバーラップを見つける必要があります。さらに、ハードウェアのダイパンチングは、長時間の作業後に工具の摩耗や材料の固着を引き起こす可能性があり、プロセスが不安定になり、その結果、切断品質が低下し、最終的にはバッテリーの歩留まりが低下し、さらには安全上の危険につながる可能性があります。パワーバッテリーのメーカーは、隠れた問題を避けるために、ナイフを 3 ～ 5 日ごとに交換することがよくあります。メーカーが公表している工具寿命は7～10日、または100万個の切断が可能ですが、電池工場では不良品の大量発生（不良品は一括で廃棄する必要がある）を避けるために、事前にナイフを交換することがよくあります。そしてこれには莫大な消耗品コストがかかります。
さらに、前述したように、車両の航続距離を向上させるために、電池工場は電池のエネルギー密度の向上に熱心に取り組んできました。業界関係者によると、単一セルのエネルギー密度を向上させるために、既存の化学システムでは、単一セルのエネルギー密度を向上させるための化学的手段は基本的に限界に達しており、圧縮密度と厚さによってのみ行われます。記事を行う 2 つのポールピース。圧縮密度とポールの厚さが増加すると、間違いなくツールへのダメージがさらに大きくなり、ツールの交換時間が再び短縮されることを意味します。
セルサイズが大きくなると、ダイカットに使用するツールも大型化する必要がありますが、ツールが大きくなると機械の動作速度が低下し、切断効率が低下することは間違いありません。長期安定した品質、高エネルギー密度傾向、大型ポールの切断効率の3つの主要な要素がハードウェアダイカットプロセスの上限を決定していると言え、この伝統的なプロセスは将来に適応するのが困難です発達。
打ち抜きの課題を克服するピコ秒レーザー ソリューション
レーザー技術の急速な発展により、工業加工におけるその可能性が示されており、特に 3C 産業は精密加工におけるレーザーの信頼性を十分に実証しています。しかし、ポール切断にナノ秒レーザーを使用する試みは初期に行われましたが、ナノ秒レーザー加工後の熱影響部やバリが大きく、電池メーカーのニーズを満たしていなかったため、このプロセスは大規模には推進されませんでした。しかし、著者の調査によれば、企業によって新たな解決策が提案され、一定の成果が得られているという。
技術原理の観点から見ると、ピコ秒レーザーは、パルス幅が非常に狭いため、非常に高いピークパワーを利用して材料を瞬時に蒸発させることができます。ナノ秒レーザーによる熱加工とは異なり、ピコ秒レーザーは熱影響を最小限に抑えた蒸気アブレーションまたは再形成プロセスであり、溶融ビーズがなく、きれいな加工エッジを備えているため、ナノ秒レーザーによる大きな熱影響ゾーンやバリのトラップを打ち破ることができます。
ピコ秒レーザーダイカットプロセスは、現在のハードウェアダイカットの問題点の多くを解決し、バッテリーセルのコストの最大の割合を占める正極の切断プロセスの質的向上を可能にしました。
1. 品質と収量
ハードウェアのダイカットは機械的なニブリングの原理を使用するため、コーナーの切断には欠陥が発生しやすく、繰り返しのデバッグが必要です。機械式カッターは時間の経過とともに摩耗し、磁極片にバリが生じ、セルのバッチ全体の歩留まりに影響を与えます。同時に、モノマーのエネルギー密度を向上させるためにポールピースの圧縮密度と厚さが増加すると、切断ナイフの磨耗も増加します。300Wの高出力ピコ秒レーザー加工は品質が安定しており、安定した作業が可能です。たとえ材料が厚くなっても、設備の損失を引き起こすことなく長期間使用できます。
2. 全体的な効率
直接的な生産効率の観点から見ると、300W高出力ピコ秒レーザー正極製造機は、ハードウェア型抜き生産機と同じ時間あたりの生産量ですが、ハードウェア機械は3～5日に1回ナイフを交換する必要があることを考慮すると、ナイフ交換後には必然的に生産ラインの停止と再稼働が発生し、ナイフ交換ごとに数時間のダウンタイムが発生します。全レーザーによる高速生産により、工具交換の時間が節約され、全体的な効率が向上します。
3. 柔軟性
パワーセル工場の場合、ラミネートラインはさまざまな種類のセルを運ぶことがよくあります。ハードウェアダイカット装置の各切り替えにはさらに数日かかり、一部のセルにはコーナーパンチの要件があるため、切り替え時間はさらに延長されます。
一方、レーザー加工では段取り替えの手間がかかりません。形状の変更であっても、サイズの変更であっても、レーザーは「すべてを行う」ことができます。切断プロセスでは、590 製品を 960 または 1200 製品に置き換える場合、ハードウェアのダイカットには大きなナイフが必要ですが、レーザープロセスには 1 ～ 2 つの追加の光学システムと切断が必要なだけであることを付け加えておきます。効率には影響しません。大量生産の変更であろうと、小規模な試作サンプルであろうと、レーザーの利点の柔軟性はハードウェアダイカットの上限を突破し、バッテリーメーカーにとって大幅な時間を節約できると言えます。 。
4. 全体的なコストが低い
現在、ポールのスリット加工はハードウェアダイカット加工が主流で初期購入コストは安いものの、頻繁な金型修理や金型交換が必要となり、これらのメンテナンスが生産ラインのダウンタイムや工数増加につながります。対照的に、ピコ秒レーザー ソリューションには他の消耗品がなく、その後のメンテナンス費用も最小限で済みます。
長期的には、ピコ秒レーザーソリューションは、リチウム電池正極切断の分野で現在のハードウェアダイカットプロセスを完全に置き換え、ラミネートプロセスの普及を促進する重要なポイントの1つになることが期待されています。電極のダイカットには小さなステップが 1 つ、ラミネートプロセスには大きなステップが 1 つあります。」もちろん、新製品はまだ業界検証の対象であり、ピコ秒レーザーのポジティブダイカットソリューションが大手電池メーカーに認められるかどうか、そしてピコ秒レーザーが従来のプロセスによってユーザーに引き起こされた問題を本当に解決できるかどうか、様子を見ましょう。
投稿日時: 2022 年 9 月 14 日