CN112199824B - 大分切收卷后的残余应力计算模型及系统、方法和锂电池 - Google Patents

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Abstract

本发明属于锂电池技术领域，具体涉及大分切收卷后的残余应力计算模型及系统、方法和锂电池，其中大分切收卷后的残余应力计算模型为
Figure DDA0002688586090000011
其中σ为收卷后的残余应力；F1为收卷张力；F2为收卷压力；β1、β2、β3、β4分别为第一中间变量、第二中间变量、第三中间变量、第四中间变量。根据大分切收卷后的残余应力计算模型，对大分切过程中各相关参数的数值进行监测与调整，实现了隔膜收卷后的残余应力的可控，使残余应力在合适范围内，有效地避免了隔膜收卷后出现波浪边。

Description

大分切收卷后的残余应力计算模型及系统、方法和锂电池
技术领域
本发明属于锂电池技术领域，具体涉及一种大分切收卷后的残余应力计算模型及系统、方法和锂电池。
背景技术
大分切机是在锂电池材料隔膜生产过程中关键设备之一，其工作方式是用直立刀具把一定宽度的卷材隔膜切成数条较窄隔膜膜所用的装置。隔膜分切机的传统控制方案是利用一台大电机来驱动，在放卷轴上加有磁粉制动器，通过调节磁粉制动器的电流来控制其所产生的阻力，以控制材料表面的张力。
大分切机的结构差异一般不是很大，而大分切的工艺设计(张力、压力及其对应的锥度曲线)会影响隔膜的收卷效果和良品率。若大分切的工艺设计控制不当，则在隔膜收卷后会出现波浪边或后期发生严重的形变，导致电池卷绕时的设备故障。
发明内容
本发明提供了一种大分切收卷后的残余应力计算模型及控制方法、控制系统、隔膜、锂电池。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种大分切收卷后的残余应力计算模型为
Figure GDA0003596569190000011
其中σ为收卷后的残余应力；F1为收卷张力；F2为收卷压力；β1、β2、β3、β4分别为第一中间变量、第二中间变量、第三中间变量、第四中间变量。
第二方面，大分切残余应力控制方法，包括：将待切产品在一定的收卷张力下释放，并在一定的收卷压力下保持膜面平整；调整收卷张力值及收卷压力值，且通过残余应力计算模型得出待切产品收卷后的残余应力，以使所述残余应力满足收卷条件。
第三方面，本发明还提供了一种大分切残余应力控制系统，包括：收卷张力检测传感器，采集收卷张力值；收卷压力检测传感器，采集收卷压力值；以及与收卷张力检测传感器、收卷压力值检测传感器电性连接的控制模块；所述控制模块适于根据如前所述的残余应力计算模型得出待切产品收卷后的残余应力。
第四方面，本发明还提供了一种如前所述的大分切残余应力控制方法制备的隔膜。
第五方面，本发明还提供了一种锂电池，包括：如前所述的隔膜。
本发明的有益效果是，本发明提供的一种大分切收卷后的残余应力计算模型，根据大分切收卷后的残余应力计算模型，通过对大分切过程中各变量参数的数值进行监测与调整，实现了隔膜收卷后的残余应力的可控，使残余应力在合适范围内，有效地避免了隔膜收卷后出现波浪边。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，作详细说明如下。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了避免隔膜收卷后出现波浪边，本发明提供了一种大分切收卷后的残余应力计算模型为：
Figure GDA0003596569190000031
其中σ为收卷后的残余应力；F1为收卷张力；F2为收卷压力；β1、β2、β3、β4分别为第一中间变量、第二中间变量、第三中间变量、第四中间变量。
其中，β1＝r1K1+r2K2+r3K3+r4K4+r5K5+r6K6+r7K7；K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7分别为张力一区至张力七区的张力锥度曲线斜率；r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7分别为残余应力随各区的张力锥度曲线斜率正比变化的比例系数,取值范围为1～5；β2＝R1θ1+R2θ2+R3θ3+R4θ4+R5θ5+R6θ6+R7θ7；θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6、θ7分别为压力一区至压力七区的压力锥度曲线斜率；R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7分别为残余应力随各区的压力锥度曲线斜率正比变化的比例系数，取值范围为1～5；β3＝a1t1+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5+a6t6；t1、t2分别为张力三区比张力一区、张力二区的张力锥度曲线斜率的衰减比例，t3、t4、t5、t6分别为张力三区后每一区较前一区的张力锥度曲线斜率的衰减比例；a1、a2、a3、a4、a5、a6分别为残余应力对应张力锥度曲线斜率的衰减比例反比变化的比例系数，取值范围为2～10；β4＝A1T1+A2T2+A3T3+A4T4+A5T5+A6T6；T1、T2分别为压力三区比压力一区、压力二区的压力锥度曲线斜率的衰减比例，T3、T4、T5、T6分别为压力三区后每一区较前一区的压力锥度曲线斜率的衰减比例；A1、A2、A3、A4、A5、A6分别为残余应力对应压力锥度曲线斜率的衰减比例反比变化的比例系数，取值范围为2～10。
具体的，根据大分切收卷后的残余应力计算模型，通过对大分切过程中收卷张力、收卷压力及其对应的锥度曲线相关参数的数值进行监测与调整，当检测到残余应力较大时，可以将F1、F2及各区对应的K、θ值调小，且调整顺序为F2→F1→K→θ；当需对K和θ调节时，按照从第七区至第一区的顺序进行调节；同时也可以不对K、θ进行调整而是将各区对应的t和T值调大，且调整顺序为T→t，在进行T和t调节时，按照从最后一区向前一区的顺序进行调节。通过上述调控过程实现了隔膜收卷后的残余应力的可控，使残余应力在合适范围内，有效地避免了隔膜收卷后出现波浪边。
进一步的，大分切残余应力控制方法，包括：将待切产品在一定的收卷张力下释放，并在一定的收卷压力下保持膜面平整；调整收卷张力值及收卷压力值，且通过如前所述的残余应力计算模型得出待切产品收卷后的残余应力，以使所述残余应力满足收卷条件。
可选的，通过对残余应力计算模型中各参数的调整与控制，控制待切产品收卷后的残余应力σ不超过15N，以满足收卷条件，有效地避免了收卷后出现波浪边等不良边形的现象。
可选的，为了使隔膜的内应力在收卷的过程中得到充分的释放，尽量消除内部残余应力，因此对收卷张力和收卷压力分别进行控制，其中收卷张力F1范围为3N～20N，可以但不限于为5N、8N、12N、18N；收卷压力F2范围为1N～10N，可以但不限于为2N、3N、5N、8N。
可选的，为了使收料卷的端面平整，使料卷不出现缩、皱等不正常现象，对张力锥度进行控制。具体的，各张力区的张力锥度曲线斜率K均为：0.309～0.438，可以但不限于为0.309、0.381、0.438；其中，张力三区相比张力一区、张力二区的锥度曲线斜率比t为95％～100％，可以但不限于为96％、97％、98％。
可选的，另一方面，对压力锥度曲线斜率进行控制，以避免收卷后出现缩、皱等不正常现象。具体的，各压力区的锥度曲线斜率θ均为：0.061～0.096，可以但不限于为0.061、0.078、0.096；其中，压力三区相比压力一区、压力二区的锥度曲线斜率比T为105％～110％，可以但不限于为107％、108％、109％。
可选的，所述展平辊弧度为15°，以保证膜面的平整性。
本发明的大分切残余应力控制方法，通过对残余应力计算模型中各参数的调整与控制，使隔膜在收卷的过程中消除内部残余应力，实现了对收卷后的残余应力的控制，避免隔膜收卷后出现波浪边等不良边形的现象，提高了生产效率。
进一步，本发明还提供了一种大分切残余应力控制系统，包括：收卷张力检测传感器，采集收卷张力值；收卷压力检测传感器，采集收卷压力值；以及与收卷张力检测传感器、收卷压力值检测传感器电性连接的控制模块；所述控制模块适于根据如前所述的残余应力计算模型得出待切产品收卷后的残余应力。
具体的，本发明的大分切残余应力控制系统，通过收卷张力检测传感器和收卷压力检测传感器，分别对收卷张力值和收卷压力值进行检测；并由控制模块根据如前所述的残余应力计算模型得出待切产品收卷后的残余应力值，控制残余应力值满足收卷条件；当残余应力值不满足收卷条件时，根据如前所述的对各参数的调整顺序进行调整，以使残余应力值满足收卷条件；通过隔膜在收卷的过程中消除内部残余应力的方式，实现了对收卷后的残余应力的控制，避免隔膜收卷后出现波浪边等不良边形的现象，提高了生产效率。
进一步，本发明提供了一种如前所述的大分切残余应力控制方法制备的隔膜。
进一步，本发明提供了一种锂电池，包括：如前所述的隔膜。
实施例1
将待切产品释放后，使其进入分切设备；采用弧度为15°的展平辊，使膜面平整；调整收卷张力为3N、收卷压力为10N；且在张力锥度曲线的七个区中：张力三区的曲线锥度斜率为0.376，且张力三区的衰减斜率分别是张力一区的110％、张力第二区的105％，张力四区至张力七区的衰减斜率均是100％；同时在压力锥度曲线的七个区中：压力三区的曲线锥度斜率为0.096，且压力三区的衰减斜率分别是压力一区的110％、压力二区的110％；压力四区至压力七区中，后一区均是其前一区的99％。
实施例2
在实施例1的基础上，将收卷张力、收卷压力对应更改为20N、1N，其余条件与实施例1相同。
实施例3
在实施例1的基础上，将收卷张力、收卷压力对应更改为6N、2N，其余条件与实施例1相同。
实施例4
在实施例3的基础上，保持收卷张力、收卷压力与实施例3相同；在张力锥度曲线的七个区中：张力三区的锥度斜率为0.309，且衰减斜率与张力一区、张力二区的衰减比例为95％；张力四区至张力七区中，后一区均是其前一区的101％；同时在压力锥度曲线的七个区中：压力三区的锥度斜率为0.096，且衰减斜率与压力一区、压力二区的递增比例为110％；压力四区至压力七区中，后一区均是其前一区的99％。
实施例5
在实施例3的基础上，保持收卷张力、收卷压力以及压力锥度曲线的斜率与实施例3相同；在张力锥度曲线的七个区中：张力三区的锥度斜率为0.309，且衰减斜率与张力一区、张力二区的衰减比例为100％；张力四区至张力七区中，后一区均是其前一区的101％。
实施例6
在实施例3的基础上，保持收卷张力、收卷压力以及压力锥度曲线的斜率与实施例3相同；在张力锥度曲线的七个区中：张力三区的锥度斜率为0.309，且衰减斜率与张力一区、张力二区的衰减比例为98％；张力四区至张力七区中，后一区均是其前一区的101％。
实施例7
在实施例3的基础上，保持收卷张力、收卷压力以及压力锥度曲线的斜率与实施例3相同；在张力锥度曲线的七个区中：张力三区的锥度斜率为0.418，且衰减斜率与张力一区、张力二区的衰减比例为95％；张力四区至张力七区中，后一区均是其前一区的101％。
实施例8
在实施例3的基础上，保持收卷张力、收卷压力以及压力锥度曲线的斜率与实施例3相同；在张力锥度曲线的七个区中：张力三区的锥度斜率为0.418，且衰减斜率与张力一区、张力二区的衰减比例为100％；张力四区至张力七区中，后一区均是其前一区的101％。
实施例9
在实施例3的基础上，保持收卷张力、收卷压力以及压力锥度曲线的斜率与实施例3相同；在张力锥度曲线的七个区中：张力三区的锥度斜率为0.418，且衰减斜率与张力一区、张力二区的衰减比例为98％；张力四区至张力七区中，后一区均是其前一区的101％。
实施例10
在实施例7的基础上，保持收卷张力、收卷压力以及张力锥度曲线的斜率与实施例7相同；在压力锥度曲线的七个区中：压力三区的锥度斜率为0.066，且衰减斜率与压力一区、压力二区的递增比例为110％；压力四区至压力七区中，后一区均是其前一区的99％。
实施例11
在实施例7的基础上，保持收卷张力、收卷压力以及张力锥度曲线的斜率与实施例7相同；在压力锥度曲线的七个区中：压力三区的锥度斜率为0.066，且衰减斜率与压力一区、压力二区的递增比例为110％；压力四区至压力七区中，后一区均是其前一区的99％。
实施例12
在实施例7的基础上，保持收卷张力、收卷压力以及张力锥度曲线的斜率与实施例7相同；在压力锥度曲线的七个区中：压力三区的锥度斜率为0.066，且衰减斜率与压力一区、压力二区的递增比例为108％；压力四区至压力七区中，后一区均是其前一区的99％。
实施例13
在实施例7的基础上，保持收卷张力、收卷压力以及张力锥度曲线的斜率与实施例7相同；在压力锥度曲线的七个区中：压力三区的锥度斜率为0.096，且衰减斜率与压力一区、压力二区的递增比例为105％；压力四区至压力七区中，后一区均是其前一区的99％。
实施例14
在实施例7的基础上，保持收卷张力、收卷压力以及张力锥度曲线的斜率与实施例7相同；在压力锥度曲线的七个区中：压力三区的锥度斜率为0.096，且衰减斜率与压力一区、压力二区的递增比例为110％；压力四区至压力七区中，后一区均是其前一区的99％。
实施例15
在实施例7的基础上，保持收卷张力、收卷压力以及张力锥度曲线的斜率与实施例7相同；在压力锥度曲线的七个区中：压力三区的锥度斜率为0.096，且衰减斜率与压力一区、压力二区的递增比例为108％；压力四区至压力七区中，后一区均是其前一区的99％。
具体的，将实施例1至实施例15中各项的具体数值汇总至表1中。
表1大分切工艺设计方法中各实施例的工艺参数
Figure GDA0003596569190000091
(续表1)
Figure GDA0003596569190000101
由表1中的数据可知，收卷张力和收卷压力对制得的隔膜的残余应力影响较大；且张力三区与张力一区、张力二区的衰减比例，张力锥度曲线的斜率，压力三区和压力一区、压力二区的衰减比例，压力锥度曲线的斜率，亦会对制得的隔膜的残余应力造成一定的影响；且将表1中对收卷后的残余应力进行测试得到的残余应力值与根据本申请中的残余应力计算模型进行计算后得到的计算值进行对比验证，计算值与测试值相差不大。因此，在对待切产品进行大分切的过程中，对隔膜的残余应力进行可控设计，以避免隔膜收卷后出现波浪边的大分切工艺设计中，需要对收卷张力、收卷压力、以及收卷张力锥度曲线与收卷压力锥度曲线的相关参数进行合理的控制。
综上所述，本发明提供的一种大分切收卷后的残余应力计算模型，根据大分切收卷后的残余应力计算模型，通过对大分切过程中各参数的数值进行监测与调整，实现了隔膜收卷后的残余应力的可控，使残余应力在合适范围内，有效地避免了隔膜收卷后出现波浪边；另一方面，通过在收卷的过程中，根据残余应力计算模型对收卷张力、收卷压力及相关参数进行调整，使隔膜在收卷的过程中消除内部残余应力，控制残余应力在一定范围内，有效地避免了收卷后出现波浪边等不良边形的现象；又一方面，通过该种大分切的工艺设计方法制得一种隔膜，该隔膜在用于制备锂电池的过程中便于锂电池的组装，由于该隔膜具有良好的平整性避免了锂电池的内部短路的发生，提高了锂电池的使用性能和安全性能。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种锂电池隔膜用大分切收卷后的残余应力计算模型，其特征在于：
Figure FDA0003596569180000011
其中
σ为收卷后的残余应力；
F1为收卷张力；
F2为收卷压力；
β1、β2、β3、β4分别为第一中间变量、第二中间变量、第三中间变量、第四中间变量；
β1＝r1K1+r2K2+r3K3+r4K4+r5K5+r6K6+r7K7；
β2＝R1θ1+R2θ2+R3θ3+R4θ4+R5θ5+R6θ6+R7θ7；
β3＝a1t1+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5+a6t6；
β4＝A1T1+A2T2+A3T3+A4T4+A5T5+A6T6；其中
K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7分别为张力一区至张力七区的张力锥度曲线斜率；
r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7分别为残余应力随各区的张力锥度曲线斜率正比变化的比例系数，取值范围为1～5；
θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6、θ7分别为压力一区至压力七区的压力锥度曲线斜率；
R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7分别为残余应力随各区的压力锥度曲线斜率正比变化的比例系数，取值范围为1～5；
t1、t2分别为张力三区比张力一区、张力二区的张力锥度曲线斜率的衰减比例，t3、t4、t5、t6分别为张力三区后每一区较前一区的张力锥度曲线斜率的衰减比例；
a1、a2、a3、a4、a5、a6分别为残余应力对应张力锥度曲线斜率的衰减比例反比变化的比例系数，取值范围为2～10；
T1、T2分别为压力三区比压力一区、压力二区的压力锥度曲线斜率的衰减比例，T3、T4、T5、T6分别为压力三区后每一区较前一区的压力锥度曲线斜率的衰减比例；
A1、A2、A3、A4、A5、A6分别为残余应力对应压力锥度曲线斜率的衰减比例反比变化的比例系数，取值范围为2～10。
2.一种大分切残余应力控制方法，其特征在于，包括：
将待切产品在一定的收卷张力下释放，并在一定的收卷压力下保持膜面平整；
调整收卷张力值及收卷压力值，且通过权利要求1所述的残余应力计算模型得出待切产品收卷后的残余应力，以使所述残余应力满足收卷条件。
3.如权利要求2所述的大分切残余应力控制方法，其特征在于，
所述收卷条件为收卷后的残余应力不超过15N。
4.如权利要求2所述的大分切残余应力控制方法，其特征在于，
所述收卷张力为3N～20N；
所述收卷压力为1N～10N。
5.如权利要求2所述的大分切残余应力控制方法，其特征在于，
所述大分切残余应力控制方法采用如权利要求2所述的残余应力计算模型；
各张力区的锥度曲线斜率均为：0.309～0.438；其中
张力三区相比张力一区、张力二区的斜率比为95％～100％。
6.如权利要求5所述的大分切残余应力控制方法，其特征在于，
各压力区的锥度曲线斜率均为：0.061～0.096；其中
压力三区相比压力一区、压力二区的斜率比为105％～110％。
7.一种大分切残余应力控制系统，其特征在于，包括：
收卷张力检测传感器，采集收卷张力值；
收卷压力检测传感器，采集收卷压力值；
以及与收卷张力检测传感器、收卷压力值检测传感器电性连接的控制模块；
所述控制模块适于根据如权利要求1所述的残余应力计算模型得出待切产品收卷后的残余应力。
8.一种如权利要求2所述的大分切残余应力控制方法制备的隔膜。
9.一种锂电池，其特征在于，包括：
隔膜；
所述隔膜适于采用如权利要求8所述的隔膜。
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