鉅大LARGE | 點擊量：1757次 | 2021年08月12日
鋰離子電池極片輥壓：四輥輥壓機是不是能代替二輥輥壓機？
決定動力鋰電池發(fā)展的，始終還是過硬的技術。
隨著新能源汽車的高速發(fā)展，鋰離子電池因比能量較高、循環(huán)壽命較長、無污染等優(yōu)勢，成為了新能源汽車的重要動力源。
但是，目前動力鋰離子電池由于存在續(xù)航能力不足、一致性較差等問題，成為制約新能源動力汽車發(fā)展的技術難題。
單體電池極片的厚度一致性，是掂量電池包性能，以及穩(wěn)定性的緊要質量標準，極片輥壓精度要求為幾微米，屬于高精度輥壓領域，極片輥壓技術是動力鋰離子電池研制和加工的關鍵技術之一。
目前，國內外鋰離子電池廠家均使用的是二輥輥壓機輥壓極片，主流機型輥徑為500mm，輥身長為500mm-700mm，但輥壓出的極片沿寬度方向的厚度一致性較差。
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充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
為保證厚度一致性的精度，軋輥長度與直徑比值往往較小，最終導致極片輥壓寬度較窄。
而在銅箔、鋁箔等箔材制造范疇，箔材絕大多數(shù)由四輥輥壓機輥壓制造，表面精度能達到幾微米的同時，輥壓寬度能達到1m以上。
當前還沒有四輥輥壓機在極片輥壓中使用的先例，因此，對極片輥壓工藝的深入研究是提高極片厚度一致性和加工效率的關鍵。
那么，四輥輥壓機有沒有代替二輥輥壓機輥壓極片的可行性？
一
二輥輥壓機輥系是由兩個位于同一垂直平面內的水平工作輥組成的，極片輥壓是在兩個工作輥中間進行的，如圖1所示。
圖1.二輥輥壓饑輥系布置示意圖
四輥輥壓機輥系是由四個位于同一垂直平面內的水平軋輥組成，輥壓過程亦是在兩個工作輥中間進行。
支承輥的用途是加強輥系的剛度，其輥徑一般是工作輥輥徑的1.5～2倍，如圖2所示。
圖2.四輥輥壓機輥系布置示意圖
影響極片輥壓質量的因素分為內因(極片本身)和外因(輥壓條件)兩個方面。極片本身的特點，如原始厚度、變形抗力等筆直影響輥壓力的大小，與極片厚度一致性密切相關。
輥壓條件的影響較為復雜，凡是能影響軋輥撓曲變形及軋輥間接觸狀態(tài)的因素，如軋輥直徑、輥面磨損等，和影響軋輥形位公差精度、張力及輥壓溫度的因素，如軋輥中心線是不是一致、設備運行的穩(wěn)定性、輥壓速度等，都會影響極片厚度一致性。
軋輥撓曲變形是指軋輥因受輥壓力和輥壓力矩而引起的變形，是影響電池極片寬度方向厚度一致性的重要因素。軋輥的撓曲變形導致單位輥壓力在極片變形區(qū)內的分布不平均。
由于單位輥壓力的不平均，導致極片沿寬度方向的壓下量不一致。若不考慮極片在輥壓后的反彈，可以認為極片的斷面形狀和工作輥有載輥縫的形狀相同。一定范圍內，軋輥撓曲變形越大，極片厚度一致性越差。
二
為了方便分解，這里二輥輥壓機軋輥參數(shù)選取極片輥壓機?500x500軋輥參數(shù)，四輥輥壓機軋輥參數(shù)根據(jù)二輥輥壓機設定。
極片寬度為450mm和550mm，由于四輥輥壓機工作輥施加彎輥力，對極片厚度一致性有影響，彎輥力Fw設定為0，5000kg和10000kg。
將實際輥壓中軋輥受到的最大輥壓力P，假設為工作輥長度方向中間線段上受到垂直于輥面的均布載荷q，因此q=P/l，式中最大輥壓力P=300t，l為極片來料寬度。
極片來料寬度為450mm時，q=666.7kg/mm。極片來料寬度為550mm時，q=545.5kg/mm。
為保證計算精度，在極片與軋輥、工作輥與支撐輥的接觸位置要進行網(wǎng)格的細化。網(wǎng)格劃分時，全局尺寸按25mm劃分，輥面上按10mm劃分。
劃分網(wǎng)格方式選擇掃掠的方式，二輥輥壓機軋輥采用六面體單元C3D20R，四輥輥壓機軋輥采用六面體單元C3D8I，如圖3。
圖3.壓機軋輥有限元模型
在實際極片輥壓中，工作輥和支撐輥輥面為接觸不分離。軟件設置中接觸關系含義為硬接觸，接觸后不分離。摩擦類型選用庫倫摩擦，靜摩擦系數(shù)為0.2。
三
試驗設備用電池極片輥壓機?500x500，極片來料厚度為178μm、197μm和217μm三種，寬度均為450mm，輥壓前的極片厚度偏差為±5μm。極片輥壓時采用最大輥壓力300000kg。
沿極片寬度方向，試驗數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)變化趨勢大體一致，沿極片寬度方向，邊部位置厚度偏差值較小，而在中部位置偏差值達到最大。如圖4。
圖4.擬結果與試驗數(shù)據(jù)比較
與仿真數(shù)據(jù)相比，試驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)較小波動，這是因為極片原料本身存在厚度偏差導致的。試驗數(shù)值和模擬數(shù)值相比，最大誤差為5.27％，說明了所建有的模型的準確性和正確性。
加工踐行中，要求從極片中間到兩側，極片沿寬度方向厚度偏差在±2μm以內，極片合格寬度越寬越好。在極片完成輥壓后，要對極片邊緣20mm處進行切邊解決。
因此，利用軟件后解決器對仿真結果進行提取，得到不同軋輥參數(shù)下，工作輥輥面長度方向上的數(shù)據(jù)結果。
隨著工作輥直徑的新增，總體極片厚度偏差逐漸減小，沿極片寬度方向的中間位置厚度偏差減小較為分明，而在極片兩側厚度偏差減少不分明，如圖5。
圖5.輥徑下的極片厚度偏差
隨著輥身長度的新增，總體極片厚度偏差也逐漸新增，沿極片寬度方向中間位置厚度偏差新增較大，極片兩側厚度偏差新增較小，如圖6。
圖6.輥身長度下極片厚度偏差
隨著彎輥力凡的新增，總體極片厚度偏差逐漸減小，沿極片寬度方向中間位置的厚度偏差減小比較分明，而在極片兩側厚度偏差減少不分明，如圖7。
圖7.不同彎輥力下極片厚度偏差
彎輥力Fw由0新增為10000kg時，最大極片厚度偏差減小0.3μm，極片沿寬度方向的厚度一致性有較小幅度改善。
彎輥力凡新增為10000kg時，四輥輥壓機?200／360x600與二輥輥壓機?500x500的最大極片厚度偏差值最為接近，僅相差0.06μm，符合±2μm厚度偏差的極片寬度，極片輥壓寬度有較大幅度新增。
二輥輥壓機?500x500與工作輥輥徑為180—200mm、支承輥輥徑為340～360mm、輥身長度為500mm的四輥輥壓機在輥壓力相同時，輥壓450mm寬的極片萌生的輥壓效果是近似等效的。
所以，四輥輥壓機代替二輥輥壓機進行極片輥壓具有一定可行性。
隨著工作輥或支撐輥輥徑的新增，極片的厚度一致性得到改善。工作輥輥徑的變化對極片寬度方向厚度偏差影響顯著，而支承輥直徑變化對極片寬度方向厚度差影響則較小。四輥輥壓機中支承輥的存在可以一定程度上彌補工作輥由于剛度較小所帶來的不足。
此外，隨著彎輥力的新增，極片沿寬度方向的厚度一致性得到改善。施加彎輥力可以彌補輥身長度新增所導致的極片厚度一致性變差的不足，并且可以實現(xiàn)極片輥壓寬度的新增，施加彎輥力是實現(xiàn)極片寬幅輥壓的一個有效途徑。
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