極片輥壓工藝是不可或缺的工藝之一,其對產品的影響主要是極片厚度一致性。本文對此進行簡單闡述。
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軋制的基本原理如下圖所示:
在軋制過程中,與軋輥接觸並產生壓縮變形的區域稱為變形區(ABCD)。
主要參數有:
軋輥半徑R
極片軋制前厚度H
極片軋制後厚度h
咬入角ɑ
公式一:極片軋制量:△H=H-h=2R(1-cosa)
其中上輥是固定不動,下輥在液壓缸的作用下,緩慢向上運動,和上輥共同作用,將極片壓製成預先設計的厚度。通常情況下需要輥壓力較大,該輥壓力的反作用力會作用在壓輥上,並通過壓輥的軸承傳遞到設備整體結構上,從而可以將壓輥看作一個簡支梁問題。
以下輥視圖為例,先來分析輥壓載荷在壓輥中間左右對稱分布的情況,其受力情況見下圖。極片寬度為b,在輥壓過程中,極片的中心線與壓輥中心線重合,極片邊緣在左右兩側距離壓輥邊緣距離均為a,
壓輥總長度為l,輥壓極片反作用力為p,均勻作用在下壓輥上,方向垂直向下,最大撓度fmax 的計算見式如下:
公式二:
式中:fmax 為最大撓度(mm);p 為均布載荷(N/m);
E 為材料彈性模量(GPa);I 為壓輥轉動慣量(kg·m2)。
對壓輥,轉動慣量I 的計算見式
公式三:
基於以上三個公式,
以企業生產線上比較常見的直徑為D=800 mm,長度為800 mm 的壓輥為例,極片寬度b=480 mm,極片輥壓前後厚度分別為0.24 mm 和0.12 mm;根據公式一,可以算出,在壓輥和極片之間接觸圓弧長度為6.93 mm
以負極極片輥壓工藝為例,輥壓壓力為30 t,均布載荷q=367 500 N/m,壓輥一般採用9Cr2Mo 合金鋼材料,其彈性模量E 為210 GPa,將上述數據帶入
可以計算出最大撓度fmax 為0.371 um。
正極極片輥壓工藝,壓力一般為100 t,均布載荷q=1 225 000 N/m,將數據帶入式(1),可以計算出最大撓度fmax 為1.238 um。
撓曲變形的最大值出現在壓輥中線位置,換句話說,極片中間位置的厚度是最薄的。同時,壓輥直徑的增加,可以使其界面的轉動慣量增加,從而減小變形。
根據以上分析,可以對於常見幾個問題進行核算
一,不對成輥壓
在生產線實際生產過程中,極片中心線和壓輥中心線很難完全重合,總會有一定的偏差。如下圖所示:
假定極片中心線和壓輥中心線距離偏離了50mm,其他數據仍然採用對稱分布載荷的數據。
可以計算出最大撓度fmax,其中,負極極片為0.385 um,正極極片為
1.281 um,均較載荷左右對稱分布撓度有了增加。與載荷對稱結果比較,負極和正極的非對稱載荷造成撓曲增加約3.8%和3.5%。
二、電磁熱輥
電磁加熱是高溫壓輥加熱的一種方式。電磁加熱壓輥截面如下圖:
可以知道,在相同外徑的情況下,其轉動慣量更小,且內部空心的直徑越大,轉動慣量變小的程度也越大。
最大撓度fmax 與壓輥的轉動慣量I 成反比關係,同樣以前述尺寸帶入,假定內徑d 為600 mm,則可以得到最大撓度f (空心)=1.428*f (實心),即如果在輥壓工藝中採用空心電磁加熱壓輥,則會增加壓輥的最大撓曲變形,增加幅度可達到42.8%。
三、油加熱熱輥
油加熱軋輥結構示意圖如下:
在這種環形油路的壓輥工藝中,由於壓輥轉動慣量變小,在一定的輥壓壓力作用下,其最大撓曲變形fmax 將會增加,但同時,由於是高溫輥壓工藝,正極或者負極材料在較高的溫度下進行變形,同樣的壓實密度下,所需的輥壓力會變小,從而壓輥的撓曲變形也會成比例減小。最終的撓曲變形,其增加或者減小,要取決於多種綜合因素。
其它:
以直徑為Φ800 mm,長度l 為800 mm 的壓輥為例,其他數據也相同,根據圖3 可知,壓輥與極片的接觸面積為一個弧面,弧長為6.93 mm,則可以算出正極極片壓強約為175 MPa,負極極片壓強約52.5MPa,均未達到壓輥材料(一般為合金鋼)的塑性屈服點
即在工藝過程中,僅僅有彈性變形發生。
彈性模量按210 MPa 進行計算,則正負極彈性變形分別為0.83 um 和0.25 um。需要指出的是,這種彈性變形,是沿壓輥和極片接觸面均勻分布的,不會增加極片厚度的不一致性,而壓輥的撓曲變形,則隨著極片邊緣向極片中心線的過渡,撓曲變形從0 增加至最大值fmax,則這種撓曲變形是造成極片厚度不一致性的根本原因。
參考資料:鋰電池極片輥壓工藝變形分析—國思茗,朱鶴