鋰電池極片不平度研究與輥壓機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

朱海鑫

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2107-5640-1381

摘? 要：輥壓以后，鋰電池極片的實(shí)際厚度會(huì)發(fā)生不均勻的變化，為了有效避免其極片厚度變化情況，提升鋰電池的整體質(zhì)量與穩(wěn)定性，就必須要針對(duì)實(shí)際情況，對(duì)輥壓機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，并在壓輥兩側(cè)安裝液壓缸，并搭建輥壓極片設(shè)計(jì)平臺(tái)，改進(jìn)與優(yōu)化之后的結(jié)構(gòu)，可有效改進(jìn)鋰電池厚度的整體均勻度，從而不斷提高鋰電池的生產(chǎn)效率與質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：鋰電池? 極片不平度? 輥壓機(jī)? 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TM91? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2021）06（b）-0027-03

Research on the unevenness of Lithium Battery electrode and optimization analysis of roller press structure

ZHU? Haixin

（Nortel EST （Jiangsu） Technology Co.， Ltd.， Changzhou， Jiangsu Province， 213200? China）

Abstract： After roller pressing， the actual thickness of lithium battery electrode will change unevenly. In order to avoid the change of the thickness of lithium battery electrode effectively and improve the overall quality and stability of lithium battery， we must aim at the actual situation， the structure of the roller press is further optimized， and the hydraulic cylinders are installed on both sides of the roller press， and the design platform of the roller press pole is set up， so as to improve the production efficiency and quality of lithium battery.

Key Words： Lithium battery; Electrode unevenness; Roller press; Structure optimization

鋰電池在人們的生活當(dāng)中是非常常見的一種電池能源，在極片生產(chǎn)過程中，一般情況下會(huì)使用輥機(jī)壓實(shí)涂布之后的正負(fù)極，從而提高放電容量，減少內(nèi)阻，這樣也能夠有效提升鋰電池的實(shí)際利用率。輥壓機(jī)對(duì)鋰電池極片進(jìn)行壓制過程當(dāng)中，極片兩側(cè)厚度會(huì)低于中部，這樣也會(huì)直接影響極片的整體質(zhì)量。本文對(duì)鋰電池極片不平度現(xiàn)象發(fā)生的原因進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步探討了鋰電池極片不平度與輥壓機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，其對(duì)提升鋰電池生產(chǎn)質(zhì)量具有重要的作用和影響。

1? 鋰電池極片輥壓過程中的不平度分析

鋰電池有許多種不同的類型，如常見的有疊片式與圓柱式等，極片質(zhì)量也會(huì)直接影響鋰電池的整體性能，鋰電池一般情況下主要是由許多個(gè)鋰電池并聯(lián)，或者是串聯(lián)組成的，電池系統(tǒng)也不能有效控制極片的整體質(zhì)量。此外，由于受到電池實(shí)際制造工藝技術(shù)的影響，也會(huì)對(duì)電池的穩(wěn)定性與安全性產(chǎn)生不同程度的影響[1]。

1.1 極片輥壓機(jī)對(duì)極片的影響

輥壓機(jī)在對(duì)極片進(jìn)行輥壓之前，會(huì)根據(jù)極片的規(guī)格以及厚度等方面條件，對(duì)主動(dòng)輥和從動(dòng)輥兩者之間的間隙進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，因?yàn)楹鸵话銐K狀較大物質(zhì)輥壓有所不同，極片輥壓機(jī)兩輥間有0.8～1.2mm過盈量，所以，也會(huì)對(duì)壓輥本身產(chǎn)生不同程度的彎矩。針對(duì)力矩疊加的基本原理，可進(jìn)行計(jì)算，并獲得壓輥總撓度數(shù)據(jù)，通過分析得出，極片厚度不均勻主要是因?yàn)閴狠佪S方向所受到的不同力所導(dǎo)致的，其產(chǎn)生的影響主要和極片寬度、厚度及壓輥直徑等方面因素有關(guān)系[2]，如圖1所示。

1.2 極片輥壓受力仿真

極片輥壓在受力仿真分析過程中，要構(gòu)建壓輥撓度曲線方程，并通過仿真軟件，開展受力輥軸向變形試驗(yàn)。先搭建壓輥模型，big采用Solidworks軟件建立靜態(tài)應(yīng)力分析。測(cè)量壓輥直徑，測(cè)算輥壓前后極片的厚度實(shí)際變化情況，并獲得極片和壓輥圓周角數(shù)值、計(jì)算接觸面積數(shù)值，繪制接觸面的實(shí)際作用力范圍，插入曲線分割線，開展加載力范圍切割，從而保障壓輥和極片能夠獲取最大的加載力。在進(jìn)行仿真分析前，還需要構(gòu)建坐標(biāo)系，壓輥用X軸來代表，壓輥切向方向用Y軸來代表，壓輥張力使用T來代表，從壓制寬度方向施加作用力。使用曲率網(wǎng)格劃分方法，進(jìn)一步提升仿真精度，仿真運(yùn)行之后，獲得壓軸的移位曲線圖，并分析曲線圖，可得出在輥壓之后，出現(xiàn)厚度不均勻情況的具體原因。仿真分析實(shí)際結(jié)果顯示，和受力分析結(jié)果之間進(jìn)行對(duì)比，壓輥?zhàn)冃尾黄秸惹€和其基本一致，這也能夠充分說明輥壓整個(gè)過程中，發(fā)生了變形狀況，從而造成極片壓制厚度發(fā)生了不均勻的情況[3]。

2? 輥壓機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

對(duì)傳統(tǒng)極片輥壓機(jī)結(jié)構(gòu)存在的弊端和不足進(jìn)行分析，在實(shí)際改進(jìn)與優(yōu)化過程中，可在輥壓兩側(cè)分別安裝軸承座，同時(shí)在軸承座安裝液壓缸，該結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行過程中，液壓施加的作用力是基本相同的，并且作用力方向和液壓缸實(shí)際延長(zhǎng)方向基本一致。對(duì)壓輥某一端進(jìn)行分析能夠得出，這樣的作用力在施加之后，會(huì)導(dǎo)致上壓輥向下彎曲的情況，下壓輥會(huì)逐漸朝上彎曲，液壓缸在施加到X軸和Y軸2個(gè)方向的力是基本一致的，這樣也能夠有效中和極片對(duì)壓輥的作用力效果，從而盡可能避免出現(xiàn)壓輥?zhàn)冃蔚那闆r[4-5]。其次，壓輥切向方向也具有張力，在和輥壓力的作用下，會(huì)導(dǎo)致Y軸方向發(fā)生不同程度的偏移，因此，要最大程度上保障液壓缸施加在壓輥兩側(cè)的實(shí)際作用力不同，從而有效降低壓輥發(fā)生變形的概率[6-7]。

2.1 建構(gòu)輥壓機(jī)優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型

通過Solidworks軟件構(gòu)建輥壓機(jī)模型，并對(duì)壓輥進(jìn)行重點(diǎn)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，所以，應(yīng)當(dāng)使用剛化處理的模式，對(duì)輥壓機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，并使用曲率網(wǎng)格劃分方法，對(duì)上壓輥與下壓輥進(jìn)行網(wǎng)格劃分[8-9]，并在壓輥兩側(cè)建立軸承座模型與液壓缸模型。輥壓機(jī)左側(cè)接觸輥壓極片，液壓缸便會(huì)向上施加作用力，并消除壓輥X軸彎曲應(yīng)力。其次，還應(yīng)當(dāng)保障1液壓缸的實(shí)際推力大于2液壓缸，這樣也能夠及時(shí)、有效地消除壓輥Y軸方向張力。采用仿真分析，能夠得到設(shè)計(jì)算例，以液壓缸作用力為計(jì)算參數(shù)變量，并以長(zhǎng)范圍參數(shù)變量作為具體設(shè)置參數(shù)，如圖2所示。

2.2 對(duì)壓輥兩端液壓缸施力狀況進(jìn)行分析

優(yōu)化參數(shù)設(shè)置過程中，液壓缸1和液壓缸2都是確定最小作用力值25×104N，最大值6.4×104N，步長(zhǎng)選擇3×103N，仿真結(jié)構(gòu)選取過程中，壓輥位移變形最小值作為參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)。數(shù)據(jù)結(jié)果表明：液壓缸1在5.2×104N，液壓缸2在4.3×104N情況下，壓輥位移變形量是最小的。采用千分尺分別測(cè)量輥壓機(jī)結(jié)構(gòu)在優(yōu)化前后的極片厚度，將橫向等距劃分為51個(gè)探測(cè)點(diǎn)，并科學(xué)取值。

結(jié)果顯示，在優(yōu)化與改進(jìn)輥壓機(jī)結(jié)構(gòu)之后，其對(duì)鋰電池極片有著良好的壓制效果，并且更為流暢，這樣也能夠保障極片壓制厚度的整體均勻性。通過對(duì)液壓缸作用力壓輥上的具體數(shù)值進(jìn)行極端，并結(jié)合參數(shù)結(jié)果進(jìn)行分析，這樣能夠及時(shí)得到兩側(cè)液壓缸施加的實(shí)際壓力值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠得出，液壓缸直徑在10cm時(shí)，要施加16MPa壓力，這樣才能夠最大程度上保障液壓缸能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行，促使輥壓和實(shí)際工作需求之間相符合，如圖3所示。

2.3 輥壓機(jī)操作相關(guān)軟件的二次開發(fā)分析

為了有效提升操作的便捷性，要針對(duì)各種不同輥壓機(jī)尺寸與具體型號(hào)極片，并設(shè)計(jì)第二次開發(fā)軟件，完成模型構(gòu)建之后，合理選擇VC++開發(fā)工具，并生成，結(jié)合參數(shù)表，使得模型更加參數(shù)化，與Access進(jìn)行合理連接，并及時(shí)調(diào)用宏來提供相應(yīng)的服務(wù)，在完成控制后，二次開發(fā)過程中，可直接在應(yīng)用程序當(dāng)中使用，從而大大簡(jiǎn)化了實(shí)際開發(fā)過程。建立輥壓機(jī)，通過仿真軟件分析液壓缸數(shù)值。設(shè)計(jì)的軟件平臺(tái)，可直接輸入輥壓機(jī)極片參數(shù)，這樣能夠快速、準(zhǔn)確地獲取在不同情況下的液壓缸適合的具體施力大小情況。

3? 結(jié)語

經(jīng)過實(shí)時(shí)測(cè)量，獲取測(cè)量結(jié)果，經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)之后的極片輥壓機(jī)，可在最大程度上保障極片厚度的實(shí)際均勻性，這樣也能夠有效提升鋰電池的性能與比功率。通過構(gòu)建輥壓機(jī)二次開發(fā)軟件，這樣能夠針對(duì)輥壓過程當(dāng)中的各項(xiàng)不同情況，求得實(shí)際參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該方法能夠進(jìn)一步提升極片壓實(shí)密度，讓極片質(zhì)量更加均勻，也提升了極片輥壓的實(shí)際速度。

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