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、無污染等優(yōu)點(diǎn)，成為了新能源汽車的主要?jiǎng)恿υ础?

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？

一

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。

二

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)?500x500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550 mm，由于四輥輥壓機(jī)工作輥施加彎輥力，對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。摩擦類型選用庫倫摩擦，靜摩擦系數(shù)為0.2。

三

實(shí)驗(yàn)設(shè)備用電池極片輥壓機(jī)?500x500，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，要對極片邊緣20mm處進(jìn)行切邊處理。

因此，利用軟件后處理器對仿真結(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10000 kg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10000 kg時(shí)，四輥輥壓機(jī)?200／360x600與二輥輥壓機(jī)?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增加。

二輥輥壓機(jī)?500x500與工作輥輥徑為180—200 mm、支承輥輥徑為340～360mm、輥身長度為500 mm的四輥輥壓機(jī)在輥壓力相同時(shí)，輥壓450 mm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(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。