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編者按：近年來，隨著動(dòng)力汽車的不斷推廣，動(dòng)力電池技術(shù)也在被不斷革新，其中鋰離子電池在新能源領(lǐng)域不斷被普及利用，但是應(yīng)用場(chǎng)景中存在著很多會(huì)影響鋰離子電池的因素，例如正負(fù)極材料、生產(chǎn)技術(shù)等等，本文將著重介紹鋰電池極片輥壓工藝的變形，詳情見正文。

 

近年來，鋰離子電池越來越受新能源領(lǐng)域的青睞，隨著國(guó)家對(duì)新能源領(lǐng)域的大力支持，鋰離子電池的應(yīng)用范圍也越來越廣，因此對(duì)電池的一致性要求也越來越高。

影響鋰離子電池一致性的因素很多，包括正負(fù)極材料、生產(chǎn)技術(shù)和工藝、使用過程中的衰減率、內(nèi)阻變化，以及自放電率等。

電池一致性控制不好，很大程度上會(huì)影響電池組性能的發(fā)揮和循環(huán)壽命，甚至有可能引發(fā)著火、爆炸等安全事故。

在鋰離子電池生產(chǎn)工藝中，包括攪拌、涂布、輥壓，裁片、卷繞、封裝/注液、化成、分組等幾十多個(gè)工序，工藝繁瑣，控制點(diǎn)眾多。

目前，我國(guó)還沒有相關(guān)的行業(yè)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，不同生產(chǎn)廠家由于工藝和設(shè)備能力不一致，所生產(chǎn)電池在容量、循環(huán)等方面性能不一致。甚至同一個(gè)廠家不同時(shí)期的產(chǎn)品也很難達(dá)到一致，這就給新能源汽車的安全埋下隱患。

一

極片的輥壓工藝，是極片加工的最后一道工序，決定著正負(fù)極極片的最終壓實(shí)密度和孔隙率，對(duì)鋰離子電池的容量和衰減有著決定性的影響。

壓輥工藝和金屬材料成形中的軋制工藝是相同的，只是壓制材料不同，前者是鋰離子電池用正負(fù)極片，而后者通常是以各種金屬為加工對(duì)象。

相比而言，極片壓輥工藝對(duì)精度的要求要比金屬軋制更高，尤其是隨著新能源汽車等對(duì)鋰離子電池容量和衰減一致性的要求不斷提高，正負(fù)極極片的厚度也受到了越來越多技術(shù)人員的重視。

通常情況下，涂布烘干后的電極極片以卷繞的形式儲(chǔ)存。輥壓之前，極片開卷，將極片以一定的張力送入輥壓機(jī)的上輥和下輥之間，其中上輥是固定不動(dòng)，下輥在液壓缸的作用下，緩慢向上運(yùn)動(dòng)，和上輥共同作用，將極片壓制成預(yù)先設(shè)計(jì)的厚度，如圖1。


在壓輥的兩端，分別設(shè)計(jì)安裝2個(gè)楔塊，可以防止壓輥在沿軸向方向上的運(yùn)動(dòng)和變形，增加設(shè)備的穩(wěn)定性。

在輥壓的過程中，為了將正負(fù)極極片壓制到合適的厚度，需要輥壓力較大，輥壓力的反作用力會(huì)作用在壓輥上，并通過壓輥的軸承傳遞到設(shè)備整體結(jié)構(gòu)上。

可以將壓輥看作一個(gè)簡(jiǎn)支梁的問題，由于楔塊的存在，不考慮沿壓輥軸線長(zhǎng)度方向上的變形，只考慮在鉛垂方向上壓輥由于受到極片反作用力的彈性變形和撓曲變形。

在極片輥壓過程中，撓曲變形是必然的，且隨著輥壓力的增加，撓曲變形程度也會(huì)越大，正極極片的撓曲變形大于負(fù)極極片，撓曲變形的最大值出現(xiàn)在壓輥中線位置。

此外，壓輥直徑的增加，可以使其界面的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加，從而減小撓曲變形。在壓輥材料方面，可以選擇彈性模量相對(duì)較大的材料，彈性模量越大，一定工藝條件下，撓曲變形會(huì)變得越小。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，極片中心線和壓輥中心線很難完全重合，總會(huì)有一定的偏差。

假定極片左側(cè)邊緣距離壓輥?zhàn)髠?cè)距離為a，極片中心線距離壓輥?zhàn)髠?cè)距離為a1，極片中心線距離壓輥右側(cè)距離為a2，如圖2。


如果極片中心線和壓輥中心線距離偏離了50 mm，其他數(shù)據(jù)仍然采用對(duì)稱分布載荷的數(shù)據(jù)，可以推算出極片中心與壓輥中心的偏移，造成了極片輥壓撓曲變形進(jìn)一步增加，且隨著偏移距離的增加，撓曲變形的程度也會(huì)不斷擴(kuò)大。

此外，輥壓極片的寬度對(duì)撓曲變形也有影響，兩者呈正比關(guān)系，即極片寬度b越大，會(huì)造成撓曲變形也相應(yīng)地越大，極片中心與壓輥中心重合時(shí)，撓曲變形最小。

二

采用高溫油對(duì)壓輥加熱是一種常見的加熱方式，一般采用在壓輥內(nèi)部設(shè)置油路，通過保持恒定溫度的油對(duì)壓輥進(jìn)行加熱，再利用一定溫度的壓輥對(duì)正負(fù)極片壓實(shí)。

為保持整個(gè)壓輥溫度的均勻性，油路的設(shè)計(jì)一般為環(huán)形結(jié)構(gòu)，并在軸心線上設(shè)置一個(gè)內(nèi)徑稍大的孔，作為高溫油的回路，如圖3。


這種截面的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的定義，采用相關(guān)軟件進(jìn)行計(jì)算。這種有多個(gè)圓孔的壓輥截面，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也是會(huì)小于實(shí)心截面壓輥的。其減小的幅度，與所設(shè)計(jì)的油路尺寸、位置等多種因素有關(guān)。

環(huán)形油路的壓輥工藝中，由于壓輥轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變小，在一定的輥壓壓力作用下，其最大撓曲變形將會(huì)增加。

此外，由于是高溫輥壓工藝，正極或者負(fù)極材料在較高的溫度下進(jìn)行變形，同樣的壓實(shí)密度下，所需的輥壓力會(huì)變小，從而壓輥的撓曲變形也會(huì)成比例減小。

最終的撓曲變形，其增加或者減小，要取決于多種綜合因素。在正負(fù)極極片輥壓工藝中，壓力很大，尤其是正極材料，為了達(dá)到合適的壓實(shí)密度，壓力可以高達(dá)百噸，在這么大的作用力下，壓輥發(fā)生彈性變形是必然的，塑性變形也不是不可能的。

不過，現(xiàn)在越來越多的企業(yè)采用高溫精密輥壓機(jī)，這種熱壓工藝，不同于室溫冷壓工藝，是通過提高壓機(jī)速度，從而提高生產(chǎn)效率，并使得在同樣的壓縮比下，所需壓力比冷壓下降40%~50%，并在一定程度上優(yōu)化了極片內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，提高了電池容量。

總的來說，壓輥的撓曲變形是造成鋰離子電池正負(fù)極片厚度不一致性的根本原因，其因素是多方面的。

首先壓力越大，撓曲變形也越大，極片厚度不一致性增加。壓輥直徑越大，由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，撓曲變形小，但壓輥直徑大，會(huì)增加壓輥與極片的接觸面積，為了一定的壓實(shí)密度，則需要相應(yīng)提高設(shè)備壓力，又一定程度上增加了撓曲變形。

此外，壓輥材料對(duì)撓曲和彈性變形的影響主要體現(xiàn)在彈性模量上，模量越大，變形越小。極片寬度也會(huì)影響撓曲變形，極片寬度越大，撓曲變形也越大。

在輥壓工藝中，盡量將極片中心線和壓輥中心線對(duì)齊，兩者有偏移會(huì)增加撓曲變形，從而增加極片厚度的不一致性，兩者偏移距離越大，撓曲變形也隨著增加。

其次，在輥壓過程中，一定有彈性變形發(fā)生，尤其正極材料，彈性變形較大，但這種彈性變形不會(huì)增加極片厚度的不一致性。

最后是電磁感應(yīng)空心壓輥，相比同樣外徑的實(shí)心軸，撓度變形增加，油回路壓輥，也會(huì)增加撓曲變形，同時(shí)壓輥溫度升高后，又會(huì)影響壓輥的彈性模量，進(jìn)而影響撓曲變形。

原標(biāo)題：淺談：鋰電池極片輥壓工藝變形