基于EDEM的廢舊鋰電池正極片破碎參數(shù)分析及試驗(yàn)研究

陳東，朱華炳，唐陳樂，湯晨，柏宇軒，畢海軍

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230009）

0 引言

近年來，隨著能源危機(jī)與環(huán)保意識的增強(qiáng)，新能源汽車得到飛速的發(fā)展，作為新能源汽車核心的動力鋰電池的用量也在飛速上升，大量鋰離子電池的使用也會帶來大量的廢舊動力鋰電池[1]。動力鋰電池作為一種易耗品，使用壽命是有限的，乘用車鋰電池壽命約8～10 a，商用車鋰離子電池壽命約為2～3 a，預(yù)計(jì)到2023年，動力鋰電池報廢量將達(dá)到116 萬t[2]。報廢的動力鋰電池如果處置不當(dāng)，會對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，另一方面，廢舊動力鋰電池中的銅、鋁、鋰及塑料等均是寶貴的資源[3]。綜上，對廢舊動力鋰電池進(jìn)行有效的回收利用，具有經(jīng)濟(jì)、資源和社會等多重效益。破碎設(shè)備被廣泛應(yīng)用于煤炭、化工、冶金、環(huán)保和建材等行業(yè)[4]。破碎設(shè)備性能的好壞對生產(chǎn)效率及耗能有著極大的影響。基于節(jié)約資源、減少能耗的考慮，提高破碎機(jī)的生產(chǎn)效率，進(jìn)而增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

EDEM是全球首個多用途離散元素法建模軟件,專門用來在礦山、農(nóng)業(yè)、食品工業(yè)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[5-7]。葉濤等[8]利用EDEM軟件對黏結(jié)礦石模型進(jìn)行沖擊破碎仿真,并通過正交試驗(yàn)和回歸分析了三種影響破碎效果因素的主次順序；邢志中等[9]利用EDEM軟件分析了立式粉碎機(jī)粉碎內(nèi)腔所受沖擊力的情況及其影響因素，并對粉碎機(jī)腔進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化。

本文通過SolidWorks建立破碎機(jī)三維模型，通過EDEM建立了電池正極片的黏結(jié)模型，并對整個破碎過程進(jìn)行了仿真分析，探究了多個因素對破碎效果的影響，通過正交試驗(yàn)確定最佳參數(shù)，為實(shí)際生產(chǎn)中電池破碎提供參考依據(jù)。

1 模型創(chuàng)建與參數(shù)設(shè)定

1.1 幾何體模型創(chuàng)建

本文主要研究電池正極片的破碎情況，以及各個參數(shù)對極片破碎效果的影響，為了避免建立的模型過于復(fù)雜，導(dǎo)致仿真時難以排除故障，將模型進(jìn)行相應(yīng)的簡化處理，只保留破碎腔，其他的次要部件忽略，便于進(jìn)行破碎仿真實(shí)驗(yàn)。使用SolidWorks對立式破碎機(jī)進(jìn)行建模，碎碎腔內(nèi)徑為150 mm，深度為80 mm，破碎腔三維模型（如圖1）以x_t格式保存并導(dǎo)入EDEM軟件中。

圖1 幾何體模型

電池正極片為鋁箔上涂抹有正極材料，設(shè)備材料為304不銹鋼，各個材料的物理參數(shù)如表1所示。

表1 材料物理參數(shù)表

在破碎時，顆粒與顆粒間，顆粒與破碎腔內(nèi)壁均會發(fā)生相互作用，接觸參數(shù)如表2所示。

表2 材料接觸物理參數(shù)表

1.2 顆粒黏結(jié)模型的建立

黏結(jié)顆粒采用Hertz-Mindlin with bonding模型，模型基于原理是由多個小顆粒通過彼此之間的黏結(jié)鍵黏結(jié)成一個大顆粒的模型，在外力作用下顆粒間黏結(jié)鍵會發(fā)生破壞，從而產(chǎn)生破碎及斷裂效果。

1）假定所破碎的物料幾何形狀為四方體，且由大量小顆粒通過黏結(jié)鍵黏結(jié)而成；

2）假設(shè)顆粒接觸模型為軟球模型，即能發(fā)生一定的擠壓變形，變形量取決于黏結(jié)鍵和小顆粒接觸半徑；

3）小顆粒之間的黏結(jié)力假設(shè)相等[10]。

由于立式破碎機(jī)能夠破碎的物料粒度不大于200 mm，為了加大仿真的準(zhǔn)確性，在EDEM中用50 mm×50 mm的片狀模型代表電池正極片，用半徑為1 mm的小顆粒進(jìn)行填充，物料填充公式為

式中：α為填充體積分?jǐn)?shù)，一般取0.56；N為填充所需的Fraction數(shù)量；VReal為被替換的大顆粒的體積；VFraction為填充大顆粒所需的單一小顆粒的體積。

根據(jù)式（1），計(jì)算出所需的Fraction數(shù)量為1671個。

得到填充模型后輸出小顆粒的位置坐標(biāo)，再次新建EDEM文件，建立一個可以容納片狀模型的球體，計(jì)算后建立半徑30 mm的大顆粒，命名為Whole，建立半徑1 mm的小顆粒，命名為Fraction,加載API插件，將1671個小顆粒替換為大顆粒并快速黏結(jié)。

圖2 顆粒替換過程

1.3 仿真過程

在仿真實(shí)驗(yàn)時，顆粒工廠創(chuàng)建在破碎腔內(nèi)部上方，顆粒以5000 /s的靜態(tài)生成，顆粒替換時間發(fā)生在0.3 s，黏結(jié)時間設(shè)定在0.301 s，仿真時間步長設(shè)為30%，網(wǎng)格尺寸為3R。仿真過程如圖3所示。物料在0.3 s發(fā)生替換生成，隨后做自由落體下落，落入破碎腔底部靜止，刀片于0.5 s時開始轉(zhuǎn)動，與物料發(fā)生發(fā)生碰撞切割，物料進(jìn)而發(fā)生破碎。在本次仿真實(shí)驗(yàn)中，一個大顆粒是由1671個小顆粒黏結(jié)在一起的，大顆粒在破碎過程中會受到自身的重力、顆粒與刀片間剪切應(yīng)力、顆粒與破碎腔內(nèi)壁碰撞的沖擊力、顆粒與顆粒之間的摩擦、擠壓應(yīng)力的作用，從而導(dǎo)致顆粒間黏結(jié)鍵發(fā)生斷裂，產(chǎn)生破碎效果。通過破碎后剩余的黏結(jié)鍵數(shù)量來表征破碎效果的好壞，剩余的越少，則破碎效果越好。

圖3 物料破碎過程圖

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

破碎機(jī)的轉(zhuǎn)速與破碎時間對破碎效率有很大的影響，當(dāng)轉(zhuǎn)速過高或時間過長時，是對電能的極大浪費(fèi)，而且會加劇刀片的磨損，但是轉(zhuǎn)速過低或時間過短，破碎效果又不夠好。由于破碎機(jī)內(nèi)徑大小的限制，一次放入的物料數(shù)也制約著破碎效果的好壞，合理設(shè)置較好的參數(shù)能夠有效提高破碎的效率。本次針對破碎機(jī)的轉(zhuǎn)速、破碎時間及一次放入的物料數(shù)這3個參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。設(shè)置二組實(shí)驗(yàn)，通過分析仿真后剩余的黏結(jié)鍵數(shù)量占總黏結(jié)鍵數(shù)量的百分比對破碎效果進(jìn)行比較。

1）改變破碎機(jī)轉(zhuǎn)速，分析其對破碎效果的效果。

保持放入物料數(shù)為2片不變，分別設(shè)置轉(zhuǎn)速為28 000、30 000、32 000、34 000、36 000 r/min, 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并觀察斷裂黏結(jié)鍵的百分比隨時間的變化（如圖4），分析在不同轉(zhuǎn)速條件下破碎機(jī)的破碎效率。

圖4 不同轉(zhuǎn)速條件下黏結(jié)鍵隨時間變化圖

2）改變放入物料數(shù)，分析其對破碎效果的效果。

保持轉(zhuǎn)速為30 000 r/min不變，分別設(shè)置放入物料數(shù)為1、2、3、4、5片, 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并觀察斷裂黏結(jié)鍵的百分比隨時間的變化（如圖5），分析在不同物料數(shù)條件下破碎機(jī)的破碎效率。

圖5 不同物料數(shù)條件下黏結(jié)鍵隨時間變化圖

2.2 仿真結(jié)果分析

從第一組仿真結(jié)果分析，在前20 s內(nèi)，隨著時間的進(jìn)行，物料的破碎效果較好，20 s之后，物料的破碎效果提升得有限。隨著轉(zhuǎn)速的增加，對黏結(jié)鍵的破壞效果也在增大。在轉(zhuǎn)速為30 000 r/min、30 s的破碎時間時，破碎效果較好，當(dāng)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高時，物料的破碎效果會更好，但提升幅度不大?；诒３窒到y(tǒng)的穩(wěn)定及節(jié)約資源的考慮，在保證有較好的破碎效果的情況下，應(yīng)選擇較低的轉(zhuǎn)速。

從第二組仿真結(jié)果分析，隨著放入物料數(shù)的增加，對黏結(jié)鍵的破壞效果在降低，在一次放入物料數(shù)大于1片的情況下，隨著物料數(shù)的增多，對破碎效率的影響也不大，但考慮到破碎腔內(nèi)部空間的大小，一次放入的物料數(shù)也不宜過多。

3 正交試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)因素與評價指標(biāo)

為了研究破碎過程中影響破碎效果的主要因素，得到破碎效果最好的最佳參數(shù)組合，在上述仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行正交試驗(yàn)。將破碎機(jī)轉(zhuǎn)速、破碎時間、放入物料數(shù)分別標(biāo)記為A、B、C因素，每個因素取3個水平，設(shè)計(jì)3因素3水平的正交試驗(yàn)，設(shè)計(jì)因素水平表如表3所示，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表3 因素水平表

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

3.2 試驗(yàn)設(shè)備與原料

試驗(yàn)原料為安徽巡鷹新能源科技有限公司提供的廢舊磷酸鐵鋰電池，通過手工拆解分離得到電池內(nèi)芯正極片，將其裁剪成規(guī)則的50 mm×50 mm的片狀。試驗(yàn)設(shè)備有卓精BMS-120.4型精密電子分析天平，3個高速粉碎機(jī)，轉(zhuǎn)速分別為30 000 r/min、32 000 r/min、34 000 r/min。當(dāng)破碎后物料粒徑小于2.5 mm時，即可認(rèn)為破碎效果較好，下一步的分選效果就較為出色。故破碎效率為破碎后2.5 mm以下的物料質(zhì)量占整體破碎物料質(zhì)量的百分比。

圖6 各試驗(yàn)條件下破碎情況

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表4的9組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以直接看出：第8組試驗(yàn)的破碎效率最高,試驗(yàn)方案為A3B2C1；第7組試驗(yàn)的破碎效率最低，試驗(yàn)方案為A3B2C1。再對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表5所示。

表5 極差分析結(jié)果

由表5中極差分析可知，破碎機(jī)轉(zhuǎn)速的極差最大，這表示破碎機(jī)轉(zhuǎn)速對破碎效率影響最大，放入物料數(shù)次之，破碎時間對破碎效率影響最小。

再繪制因素水平效應(yīng)圖，如圖7所示。由圖7可知，隨著破碎機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，破碎效率呈單調(diào)遞增的趨勢；隨著破碎時間的提高，破碎效率呈單調(diào)遞增的趨勢；隨著放入物料數(shù)的提高，破碎效率呈單調(diào)遞減的趨勢。

圖7 因素水平效應(yīng)圖

4 結(jié)語

1）基于離散單元法建立廢舊動力鋰電池正極片仿真模型，運(yùn)用EDEM軟件對電池破碎過程進(jìn)行仿真模擬。以顆粒黏結(jié)鍵為評價指標(biāo)，進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：在一定范圍內(nèi)，顆粒黏結(jié)鍵斷裂數(shù)隨著破碎機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而增加，隨著放入物料數(shù)的增加而減少。

2）在EDEM仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，對破碎機(jī)轉(zhuǎn)速、破碎時間、放入物料數(shù)進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn)，通過試驗(yàn)得出影響廢舊動力鋰離子電池正極片破碎效果的因素主次順序?yàn)槠扑闄C(jī)轉(zhuǎn)速＞放入物料數(shù)＞破碎時間，得到最優(yōu)參數(shù)為：轉(zhuǎn)速為34 000 r/min，破碎時間為20 s，放入物料數(shù)為1片。