超声波辅助下的软金属切割的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年12月13日提交的加拿大申请第3,027,620号的优先权。加拿大申请3,027,620的内容通过引用并入本申请中。

本发明总体上涉及一种切割软金属的方法。特别地，本发明涉及一种使用系统的方法，该系统包括通过超声波振动启动的切割刀片，用于切割软金属。根据本发明的方法用于切割在电化学存储设备的制造中使用的部件，例如，锂电池。这些部件包含阳极、阴极、固体电解质、集电器以及隔板。

背景技术：

超声波是一种机械弹性波，其通过流体、固体、气体或液体介质传播。超声波的频率范围在16,000到10,000,000赫兹之间。此类频率太高而无法被人耳感知。

超声波有几种工业应用。例如，它用于零件的无损测试。超声波还用于直接影响生物的领域，诸如医学超声、外科手术(动脉疏通、髋关节置换、抽脂等)。超声波的其他应用领域包含混合以其他方式难以混合的流体、清洁零件、烟气除尘、焊接塑料和金属、机械加工[1]。

术语“超声波”也还可用于描述技术援助流程。例如，辅助精密研磨、切割(车削、钻孔、铣削)、电蚀、注射、挤压等。在这些辅助过程中，方法的物理原理保持不变。超声波振动通过减少摩擦条件或通过创造所需的强烈条件来提高性能[1]。

可以用不同的机制将电能转化为机械能，用于超声波发生器的开发。这些机制例如包含电动效应、静电效应、磁效应、磁致伸缩效应、电致伸缩效应、压电效应[1]。

当辅助切割时，超声波可显著降低切割力、改善表面光洁度以及减少所用工具的磨损[1]。此外，材料对所用工具的粘附性较低。

切割是一种用工具(通常称为切割工具)进行尺寸缩小的机械操作，它允许根据精确的几何形状分割固体材料，以获得尺寸缩小的块件，或分离不同的零件[2]。

超声波在诸如焊接和医学成像等非常先进的技术中已经使用了很长时间。超声波技术已经应用于食品的切割，例如，糕点的切割[3]。这项技术在这一领域发展迅速，并且现在为与切割软、粘、耐嚼、易碎和/或异构食品相关的问题提供了多种解决方案[2]。

超声波本身不作为切割工具使用。超声波用于改善切割工具(例如，由裁切机运动驱动的刀片)的性能。因此，超声波被应用于刀片。所述刀片可以具有特定的几何形状。

通常，为了产生超声波，60hz的电流通过发生器转换成20khz的电流。该发生器将激发由四层陶瓷组成的压电体。该陶瓷在每秒20,000次的电效应下缩回，将电能转化为机械能，机械能由助推器放大并传输到刀片。通过以高频(20khz)振动，该刀片产生振幅为50μm至100μm的微位移。然后，刀片线受到大约10⁵g的大机械加速度，这导致刀片下的材料断裂。放大倍数取决于要加工的产品：产品越软，放大倍数越小。与刀片的该振动并行，切割工具下降。因此，切割时不会压缩产品，也不会产生摩擦，这使得即使是非常粘或非常易碎的产品也能获得漂亮的切割表面[2]。

超声波辅助切割技术可以轻松切割难以切割的材料。此类材料包含碳材料、橡胶、热塑性塑料、皮革、织物、非织造布、纸、塑料板等。然而，对于韧性材料(诸如软金属)的切割，利用其他技术(诸如标准切割、电蚀、电化学[1])通常被认为更具成本效益。

诸如锂、钠、钾等软碱金属的切割提出了具体的问题。例如，待切割零件的变形、切割工具的发热、工具的黄油涂抹。此外，表面光洁度差也经常被注意到。使用普通工具，诸如锯、刀(切片、裁切机、旋转刀片、剪刀等)、切割丝、热丝、切割激光和其他侵蚀技术通常会导致不理想的结果。此外，当制造包含这些金属的组件(诸如锂电池设备)时，传统的切割技术变得不适用。

发明人知道美国专利5,250,784，该专利描述了用于切割包含电化学膜的多个膜的组件的激光辅助切割技术[5]。

需要有效的软金属切割方法。特别地，需要有效的方法来切割在电化学存储设备(诸如锂电池)的制造中使用的部件。

同样需要切割电化学存储设备(诸如电池)的方法，以便能够表征电池。

技术实现要素：

发明人已经设计并采用了一种用于切割软金属的方法。根据本发明的方法使用包括通过超声波振动启动的切割刀片的系统。该方法用于切割在电化学存储设备的制造中使用的部件，例如锂电池。此类部件包含阳极、阴极、固体电解质、集电器和隔板。这些部件可以单独切割，也可以在组装时切割(例如作为多层组件)。该方法还用于制造和/或表征电化学存储设备的系统中。

根据本发明的方法允许消除摩擦并因此允许减少切割力、缩短切割期间组装电池的短路时间、最小化工具的黄油涂抹以及减少所用工具的发热和磨损。此外，根据本发明的方法提供了改进的切割光洁度。

根据本发明的一个实施例，该方法使用通过超声波振动启动的切割工具。根据本发明的另一个实施例，切割工具包括耦合到超声波发生器的至少一个刀片。

根据本发明的一个实施例，可以单独切割电化学存储设备的部件，或者在设备的制造过程中切割。还可以在组装时切割电化学存储设备的部件，例如，当需要对设备进行检查以确定其架构(电化学存储设备的表征)时。在此类表征的方法期间，切割工具可以耦合到显微镜和/或可用于测量例如电化学存储设备的各个部件的每层厚度的设备。

因此，本发明涉及以下方面：

(1)一种用于切割软金属的方法，包括使用适于通过超声波振动启动的切割工具。

(2)一种用于切割软金属的系统，包括适于通过超声波振动启动的切割工具。

(3)一种用于制造和/或表征电化学存储设备的方法，包括使用适于通过超声波振动启动的切割工具。

(4)一种用于制造和/或表征电化学存储设备的系统，包括适于通过超声波振动启动的切割工具。

(5)根据以上方面(3)或(4)所述的方法或系统，其中所述电化学存储设备是锂电池、“全固态”锂电池、锂离子电池或电池。

(6)根据以上方面(1)至(5)中任一方面所述的方法或系统，其中所述切割工具包括耦合到超声波发生器的至少一个切割刀片。

(7)根据以上方面(6)所述的方法或系统，其中所述切割刀片是：适于通过裁切机运动启动的刀片、剃刀刀片、金刚石刀片、精密刀片、钢刀片、由碳化钨制成的刀片或这些的组合。

(8)根据以上方面(1)至(7)中任一方面所述的方法或系统，其中所述切割工具是切片机。

(9)根据以上方面(1)至(8)中任一方面所述的方法或系统，其中所述软金属是在室温下具有高延展性的金属，优选pb、na、ca、sr、k、mg、al、sn、au、pt、ba、cu、ag、cd、in、ga、bi、fe、zn、li、ni、pd、cs、rb及其合金；或莫氏硬度小于4的金属。

(10)根据以上方面(1)至(8)中任一方面所述的方法或系统，其中所述软金属是软碱金属；优选li、na、k、mg、ca或其合金。

(11)根据以上方面(1)至(8)中任一方面所述的方法或系统，其中所述软金属是在高于室温的温度下具有延展性的金属；优选地所述方法包括使用热保护系统，或者所述系统进一步包括热保护系统。

(12)一种用于制造和/或表征电化学存储设备的方法，包括切割所述电化学存储设备的至少一个部件的至少一个步骤，使用适于通过超声波振动启动的切割工具来执行所述切割。

(13)一种用于制造和/或表征电化学存储设备的系统，包括用于切割所述电化学设备的至少一个部件的至少一个切割工具，所述切割工具适于通过超声波振动启动。

(14)根据以上方面(12)或方面(13)所述的方法或系统，其中所述电化学存储设备是锂电池、“全固态”锂电池、锂离子电池或电池。

(15)根据以上方面(12)至(14)中任一方面所述的方法或系统，其中所述电化学存储设备的所述部件是负极、正极、固体电解质、集电器、隔板或这些部件的组合。

(16)根据以上方面(15)所述的方法或系统，其中：所述负极由具有碱金属的基底的金属箔组成，优选锂、锂铝合金等；所述正极由复合混合物组成，优选包含氧化还原活性中心(过渡金属氧化物)的材料、导电填充材料(碳颗粒)、固体电解质材料(离子导体)；所述固体电解质由聚合物、玻璃、陶瓷或其混合物组成；所述集电器由金属箔组成，优选al、ni、cu或这些的组合的箔；任选地，所述集电器是阳极材料，例如锂；并且所述隔板由聚合物或陶瓷材料组成。

(17)根据以上方面(12)至(16)中任一方面所述的方法或系统，其中所述切割工具包括耦合到超声波发生器的至少一个切割刀片。

(18)根据以上方面(17)所述的方法或系统，其中所述切割刀片是：适于由裁切机运动驱动的刀片、剃刀刀片、金刚石刀片、精密刀片、钢刀片、由碳化钨制成的刀片或这些的组合。

(19)根据方面(12)至(18)中任一方面所述的方法或系统，其中所述切割工具是切片机。

(20)根据以上方面(12)至(19)中任一方面所述的方法或系统，其中所述制造包括以下步骤中的至少一个：所述电化学存储设备的所述部件的堆叠或组装；所述电化学存储设备的所述部件的尺寸调整；挤压坯料，所述坯料源自构成所述电化学存储设备的部件的材料锭的熔化，优选锂坯料；电池或电池半电池的尺寸调整；以及双侧电池的堆叠。

(21)根据方面(1)至(20)中任一方面所述的方法或系统，其中所述切割工具包括：具有高硬度的刀片；和/或表面经热处理(优选通过渗碳、氮化、淬火、陶瓷沉积或这些的组合)改性的刀片；和/或由耐磨材料制成的刀片，优选碳化钨、碳化硅、金刚石、氧化铝、锆、氮化硅或这些的组合；和/或由电绝缘材料制成的刀片。

(22)一种用于表征电化学存储设备(锂电池或“全固态”锂电池或锂离子电池或电池)的系统，包括：适于通过超声波振动启动的切割工具，优选地所述工具是切片机；和/或显微镜；和/或测量设备。

(23)根据以上方面(22)所述的系统，其中所述切割工具包括耦合到超声波发生器的至少一个切割刀片。

(24)通过包括如方面(1)至(21)中任一方面所定义的方法的方法获得的电化学存储设备或使用如方面(1)至(23)中任一方面所定义的系统的电化学存储设备。

(25)通过包括如方面(1)至(21)中任一方面所定义的方法的方法获得的锂电池或“全固态”锂电池或锂离子电池或电池，或使用如方面(1)至(23)中任一方面所定义的系统的锂电池或“全固态”锂电池或锂离子电池或电池。

本发明的其他目的、优点和功能将在下面结合附图对可能的实施例的描述中变得更加显而易见，这些描述仅作为示例给出。

附图说明

专利或申请文件包含至少一个彩色图。经要求并支付所需费用后，专利局将提供带有彩色附图的已公布专利或申请的副本。

图1：根据现有技术的“全固态”锂电池的结构[4]。

图2：根据标准方法切割锂金属，无超声波辅助。

图3：超声波辅助下切割锂金属。

图4：切割圆形锂棒的设备。

图5：根据图4切割圆形锂棒的结果，a)无超声波辅助，b)有超声波辅助。

图6：超声波辅助下纵向切割锂锭。

具体实施方式

在进一步描述本发明之前，应当理解，本发明不限于下面描述的特定的实施例，因为这些实施例的变型可以被实现并且保持在所附权利要求的范围内。还应当理解，所使用的术语旨在描述特定的实施例，而不是旨在进行限制。相反，本发明的范围将由所附权利要求来确定。

为了对本说明书中使用的术语提供清晰连贯的理解，下面提供了一些定义。此外，除非另有说明，本文件中使用的所有技术和科学术语与本发明所涉及的技术领域中通常理解的含义具有相同的含义。

如本文件中使用的，术语“超声波”是指通过流体、固体、气体或液体介质传播的机械弹性波。超声波的频率范围通常在16,000到10,000,000赫兹之间。

如本文件中使用的，术语“软金属”是指在室温下具有高延展性/高可塑性的金属。此类金属的示例有pb、na、ca、sr、k、mg、al、sn、au、pt、ba、cu、ag、cd、in、ga、bi、fe、zn、li、ni、pd、cs、rb及它们的合金。

如本文件中使用的，术语“软碱金属”是指在室温下表现出高延展性/高可塑性的碱金属。此类金属的示例有li、na、k、mg、ca及它们的合金。

如本文件中使用的，术语“‘全固态’锂电池”是指电解质为固态形式的锂电池。

如本文件中使用的，术语“电化学存储设备”是指可充电电池、电池(battery、cell)、锂电池、“全固态”锂电池、锂离子电池或任何其他类型的存储设备。

如本文件中使用的，术语“切割”是指允许根据确定的几何形状分割和/或分离固体材料的机械操作。分割和/或分离获得缩小尺寸和/或不同几何形状的块件。

如本文件中使用的，术语“表征”是指一种方法，通过该方法检查电化学存储设备以确定其架构。该方法的示例是测量电池的各个部件的每层的厚度。该检查方法可以与显微镜和/或测量设备链接。该检查方法结合了根据本发明的切割方法，以切片机(超声波辅助切片机)作为切割工具。

发明人设计并采用了一种用于切割软金属的方法。根据本发明的方法使用包括通过超声波振动启动的切割刀片的系统。该方法用于切割在电化学存储设备的制造中使用的部件，例如，锂电池。此类部件包含阳极、阴极、固体电解质、集电器和隔板。这些部件可以单独分割，也可以在组装时切割(例如作为多层组件)。该方法还用于制造和/或表征电化学存储设备的系统中。

根据本发明的方法允许消除摩擦并因此允许减少切割力、缩短切割期间组装电池的短路时间、最小化工具的黄油涂抹以及减少所用工具的发热和磨损。此外，根据本发明的方法提供了改进的切割光洁度。

根据本发明的一个实施例，该方法使用通过超声波振动启动的切割工具。根据本发明的另一个实施例，切割工具包括耦合到超声波发生器的至少一个刀片。

根据本发明的一个实施例，可以单独切割电化学存储设备的部件，或者在设备的制造过程中切割。还可以在组装时切割电化学存储设备的部件，例如，当需要对设备进行检查以确定其架构(电化学存储设备的表征)时。在此类表征方法期间，切割工具可以耦合到显微镜和/或可用于测量例如电化学存储设备的各个部件的每层厚度的设备。

本发明包含超声波辅助对切割软金属的应用。本发明解决了电化学存储设备(诸如“全固态”锂电池、锂离子电池或电池)的制造中使用的部件的切割问题。从美国专利6,030,421[4]复制的图1说明了此类电池的结构。根据一个方面，本发明允许用于挤压锂带的锭的切割。

可以使用不同的机制来产生超声波；大多数现代功率转换器使用压电效应。振动的振幅和频率以及静态负载对切割的结果有影响。大多数装置的工作频率约为20khz，接近人耳可接受的最低频率。

可选地，使用润滑剂(诸如矿物切割油)。润滑剂有助于减少工件和切割工具的发热。润滑剂还有助于消除刀具和被切割材料的表面氧化，并改善切割的光洁度。

为了减少刀具磨损，最好使用具有高硬度和/或表面经过各种处理(渗碳、渗氮、淬火、陶瓷沉积或这些处理的组合)的刀具。使用具有由耐磨材料(碳化钨、碳化硅、金刚石、氧化铝、锆、氮化硅或这些材料的组合)制成和/或由电绝缘材料制成的刀具的切割工具也是有利的。

根据本发明考虑的软金属是那些在室温下呈现高度延展性(高塑性)的金属。此类金属包含pb、na、ca、sr、k、mg、al、sn、au、pt、ba、cu、ag、cd、in、ga、bi、fe、zn、li、ni、pd、cs、rb及其合金。那些在较高温度下表现出延展性的金属仍然可以通过根据本发明的方法进行切割。在这种情况下，该方法通过超声波辅助切割系统来实施以确保热保护。

“全固态”锂电池由若干部件组成。在lmp(“锂金属聚合物”)电池的情况下，负极通常由碱金属轻金属箔：锂金属、锂铝合金等制成。在锂离子电池的情况下，负极通常由石墨作为活性材料制成，沉积在集电器层(通常是cu或ni)上。正极通常由包含氧化还原活性中心(过渡金属氧化物)、导电填充材料(通常为碳颗粒)、固体电解质材料(离子导体)的复合混合物材料制成；复合材料沉积在集电器(通常是薄铝箔)上。固体电解质通常由聚合物、玻璃、陶瓷或这些的混合物制成；并且允许锂离子(li⁺)的传导。“全固态”锂电池由正极、固体电解质和负极层叠制造而成。在美国专利6,030,421[4]的图1中说明了该方法。

该方法用于制造电化学存储设备的系统中。根据本发明的方法还用于表征电化学存储设备的系统中。根据本发明的一种模式，该系统适用于电化学存储设备的制造和表征。存储设备可以是锂电池、“全固态”锂电池、锂离子电池或电池。

示例1：一块锂在没有超声波辅助的情况下，使用标准方法用裁切机刀片切割(图2a)。切割测试表明，由于施加了高压，工件发生了显著变形。还观察到较差的表面光洁度(图2b)。

示例2：用20khz、750w的超声波发生器(cole-palmer)操作的剃刀刀片切割一块锂(图3a)。少量轻质矿物油被用作润滑剂，以保护锂在切割操作过程中不被氧化。切割是无力的、快速的，并且表面光洁度好(图3b和图3c)。振幅调制在20％至80％之间；这会影响切割速度。锂不会粘在刀片上。

示例3：超声波辅助切片机用于在显微镜下切割待研究的电池。使用振动的金刚石刀片切割完整的电池来显示横截面。切口暴露了电池的不同部件(集电器、阳极、阴极、固体电解质、金属塑料袋)。切口干净，仅观察到电池部件的不同厚度的轻微变形。

示例4：在通过堆叠双侧电池制造“全固态”电池的方法中，通过超声波辅助用刀片切割活性(化学活性)电池。金属刀具的动作会产生短路(锐切)，但是切割的速度和锋利度消除了对电池边缘进行化学愈合的需要。

示例5：铝带被重新切开以减小其宽度。在该方法中使用了超声波辅助精密刀片。获得没有撕裂的干净切口。该方法通常用于调整集电器、阳极、阴极、固体电解质、电池、半电池或电池部件的任何其他组合的尺寸。应当注意，刀片的耐用性增加了。

示例6：直径6英寸、长24英寸的锂锭是用熔化法铸造的。坯料从模具中移除后，其端部会有缺陷(收缩区、气孔、夹杂物)。为了在不产生缺陷的情况下挤压铸锭，使用带有超声波辅助系统的钢刀片切割端部。注意到切口的干净光洁度。

示例7：在室温下对几种软金属进行了超声波辅助切割测试。测试的金属包含：pb、na、ca、mg、al、cu、ni。注意到，莫氏硬度低于4的所有金属都被成功切割，并且获得了相当干净的表面。

示例8：进行测试以测量切割压力对直径为10mm的圆形锂棒的变形的影响。使用的设置如图4中所示。棒上涂有矿物油，以减少刀片的发热。图5a示出了在没有超声波辅助的情况下切割后获得的结果。图5b示出了在有超声波辅助的情况下切割后获得的结果。区别很明显：超声波辅助切割产生清晰的结果。实际上，超声波辅助大大降低了执行切割所施加的压力；并且金属实际上保持完整，没有明显的变形。

示例9：使用带有具有超声波焊极刀片(sonotrodeblade)(te2042328，telsonic)的集成发生器(ted2000x，telsonic)的超声波压力机执行测试。150mm宽、60mm高的刀片涂有矿物油，并以超声波频率(20khz)振动，沿其有效长度切割锂锭，用干净的切口精确切割，而不会使锭显著变形。切割如图6中所示。

上述示例涉及“全固态”锂电池。本领域技术人员理解，本发明还涉及其他类型的电池(包含锂电池、锂离子电池、电池)。

权利要求的范围不应受示例中所示实施例的限制，而是应给出与说明书整体一致的最广泛的解释。

本说明书涉及多个文件。这些文件中的每个的内容通过引用整体并入本说明书中。

参考文献

1.d.kremer，“usinageparultrasons”，techniquesdel’ingénieur(1998年4月10日)，参考：bm7240v1。

2.s.roustel，“découpedesproduitsalimentaires”，techniquesdel’ingénieur(2002年3月10日)，参考：f1230v1。

3.m.w.round的us1,354,505“用于切割厚层糖果产品的方法和装置(methodof,andapparatusforcuttingablanketofconfectioneryproduct)”。

4.m.gauthier,g.lessard,g.vassort,p.bouchard,a.vallee和m.perrier的us6,030,421“超薄固态锂电池及其制备方法(ultra-thinsolid-statelithiumbatteriesandprocessofpreparingsame)”。

5.d.muller和b.kapfer的us5,250,784“用于切割由多个薄膜组成并包括薄膜电化学发生器的多层组件或其组成部件的方法和设备(methodanddeviceforcuttingamultilayerassemblycomposedofapluralityofthinfilmsandcomprisingathinfilmelectrochemicalgeneratororacomponentpartthereof)”。