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鋰電池極片輥壓:四輥輥壓機(jī)是否能代替二輥輥壓機(jī)?

時(shí)間:2019-08-24 15:29來源:中國(guó)電池聯(lián)盟 作者:龍闕
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      決定動(dòng)力電池發(fā)展的,始終還是過硬的技術(shù)。

 

      隨著新能源汽車的高速發(fā)展,鋰電池因比能量較高、循環(huán)壽命較長(zhǎng)、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),成為了新能源汽車的主要?jiǎng)恿υ础?/span>

 

      但是,目前動(dòng)力鋰電池由于存在續(xù)航能力不足、一致性較差等問題,成為制約新能源動(dòng)力汽車發(fā)展的技術(shù)難題。

 

      單體電池極片的厚度一致性,是衡量電池組性能,以及穩(wěn)定性的重要質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),極片輥壓精度要求為幾微米,屬于高精度輥壓范疇,極片輥壓技術(shù)是動(dòng)力鋰離子電池研制和生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

 

       目前,國(guó)內(nèi)外鋰離子電池廠家均使用的是二輥輥壓機(jī)輥壓極片,主流機(jī)型輥徑為500 mm,輥身長(zhǎng)為500 mm-700 mm,但輥壓出的極片沿寬度方向的厚度一致性較差。

 

      為保證厚度一致性的精度,軋輥長(zhǎng)度與直徑比值往往較小,最終導(dǎo)致極片輥壓寬度較窄。

 

      而在銅箔、鋁箔等箔材制造領(lǐng)域,箔材絕大多數(shù)由四輥輥壓機(jī)輥壓制造,表面精度能達(dá)到幾微米的同時(shí),輥壓寬度能達(dá)到1m以上。

 

      當(dāng)前還沒有四輥輥壓機(jī)在極片輥壓中應(yīng)用的先例,因此,對(duì)極片輥壓工藝的深入研究是提高極片厚度一致性和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。

 

      那么,四輥輥壓機(jī)有沒有代替二輥輥壓機(jī)輥壓極片的可行性?
 


 

      二輥輥壓機(jī)輥系是由兩個(gè)位于同一垂直平面內(nèi)的水平工作輥組成的,極片輥壓是在兩個(gè)工作輥中間進(jìn)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(jī)輥系是由四個(gè)位于同一垂直平面內(nèi)的水平軋輥組成,輥壓過程亦是在兩個(gè)工作輥中間進(jìn)行。
 
      支承輥的作用是增強(qiáng)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(jī)輥系布置示意圖
 
      影響極片輥壓質(zhì)量的因素分為內(nèi)因(極片本身)和外因(輥壓條件)兩個(gè)方面。極片本身的特點(diǎn),如原始厚度、變形抗力等直接影響輥壓力的大小,與極片厚度一致性密切相關(guān)。
 
      輥壓條件的影響較為復(fù)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,如軋輥中心線是否一致、設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性、輥壓速度等,都會(huì)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主要因素。軋輥的撓曲變形導(dǎo)致單位輥壓力在極片變形區(qū)內(nèi)的分布不均勻。
 
      由于單位輥壓力的不均勻,導(dǎo)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(rèn)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(nèi),軋輥撓曲變形越大,極片厚度一致性越差。
 

 
      為了方便分析,這里二輥輥壓機(jī)軋輥參數(shù)選取極片輥壓機(jī)Ø500x500軋輥參數(shù),四輥輥壓機(jī)軋輥參數(shù)依據(jù)二輥輥壓機(jī)設(shè)定。
 
      極片寬度為450mm和550mm,由于四輥輥壓機(jī)工作輥施加彎輥力,對(duì)極片厚度一致性有影響,彎輥力Fw設(shè)定為0.5000 kg和10000 kg。
 
      將實(shí)際輥壓中軋輥受到的最大輥壓力P,假設(shè)為工作輥長(zhǎng)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450 mm時(shí),q=666.7 kg/mm。極片來料寬度為550 mm時(shí),q=545.5 kg/mm。
 
      為保證計(jì)算精度,在極片與軋輥、工作輥與支撐輥的接觸位置要進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)化。網(wǎng)格劃分時(shí),全局尺寸按25 mm劃分,輥面上按10 mm劃分。
 
      劃分網(wǎng)格方式選擇掃掠的方式,二輥輥壓機(jī)軋輥采用六面體單元C3D20R,四輥輥壓機(jī)軋輥采用六面體單元C3D8I,如圖3。
 
圖3. 壓機(jī)軋輥有限元模型
 
      在實(shí)際極片輥壓中,工作輥和支撐輥輥面為接觸不分離。軟件設(shè)置中接觸關(guān)系定義為硬接觸,接觸后不分離。摩擦類型選用庫(kù)倫摩擦,靜摩擦系數(shù)為0.2。


 
      實(shí)驗(yàn)設(shè)備用電池極片輥壓機(jī)Ø500x500,極片來料厚度為178μm、197μm和217μm三種,寬度均為450 mm,輥壓前的極片厚度偏差為±5μm。極片輥壓時(shí)采用最大輥壓力300000kg。
 
      沿極片寬度方向,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)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(dá)到最大。如圖4。
 
圖4. 擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較
 
      與仿真數(shù)據(jù)相比,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)較小波動(dòng),這是因?yàn)闃O片原料本身存在厚度偏差導(dǎo)致的。實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)確性和正確性。
 
      生產(chǎn)實(shí)踐中,要求從極片中間到兩側(cè),極片沿寬度方向厚度偏差在±2μm以內(nèi),極片合格寬度越寬越好。在極片完成輥壓后,要對(duì)極片邊緣20mm處進(jìn)行切邊處理。
 
      因此,利用軟件后處理器對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行提取,得到不同軋輥參數(shù)下,工作輥輥面長(zhǎng)度方向上的數(shù)據(jù)結(jié)果。
 
      隨著工作輥直徑的增加,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明顯,而在極片兩側(cè)厚度偏差減少不明顯,如圖5。
 
圖5.  輥徑下的極片厚度偏差
 
      隨著輥身長(zhǎng)度的增加,總體極片厚度偏差也逐漸增加,沿極片寬度方向中間位置厚度偏差增加較大,極片兩側(cè)厚度偏差增加較小,如圖6。
 
圖6. 輥身長(zhǎng)度下極片厚度偏差
 
      隨著彎輥力凡的增加,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明顯,而在極片兩側(cè)厚度偏差減少不明顯,如圖7。
 
圖7. 不同彎輥力下極片厚度偏差
 
      彎輥力Fw由0增加為10000kg時(shí),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。
 
      彎輥力凡增加為10000kg時(shí),四輥輥壓機(jī)Ø200/360x600與二輥輥壓機(jī)Ø500x500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增加。
 
      二輥輥壓機(jī)Ø500x500與工作輥輥徑為180—200 mm、支承輥輥徑為340~360mm、輥身長(zhǎng)度為500mm的四輥輥壓機(jī)在輥壓力相同時(shí),輥壓450mm寬的極片產(chǎn)生的輥壓效果是近似等效的。
 
      所以,四輥輥壓機(jī)代替二輥輥壓機(jī)進(jìn)行極片輥壓具有一定可行性。
 
      隨著工作輥或支撐輥輥徑的增加,極片的厚度一致性得到改善。工作輥輥徑的變化對(duì)極片寬度方向厚度偏差影響顯著,而支承輥直徑變化對(duì)極片寬度方向厚度差影響則較小。四輥輥壓機(jī)中支承輥的存在可以一定程度上彌補(bǔ)工作輥由于剛度較小所帶來的不足。
 
      此外,隨著彎輥力的增加,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(bǔ)輥身長(zhǎng)度增加所導(dǎo)致的極片厚度一致性變差的不足,并且可以實(shí)現(xiàn)極片輥壓寬度的增加,施加彎輥力是實(shí)現(xiàn)極片寬幅輥壓的一個(gè)有效途徑。
 
(責(zé)任編輯:子蕊)
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