決定動力電池發(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，成為了新能源汽車的主要動力源。

但是，目前動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)量標準，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輥壓極片，主流機型輥徑為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)由四輥輥壓機輥壓制造，表面精度能達到幾微米的同時，輥壓寬度能達到1m以上。

當前還沒有四輥輥壓機在極片輥壓中應(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，四輥輥壓機有沒有代替二輥輥壓機輥壓極片的可行性？

一

二輥輥壓機輥系是由兩個位于同一垂直平面內(nèi)的水平工作輥組成的，極片輥壓是在兩個工作輥中間進行的，如圖1所示。

圖1. 二輥輥壓饑輥系布置示意圖

四輥輥壓機輥系是由四個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工作輥中間進行。

支承輥的作用是增強輥系的剛度，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)兩個方面。極片本身的特點，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，這里二輥輥壓機軋輥參數(shù)選取極片輥壓機?500x500軋輥參數(shù)，四輥輥壓機軋輥參數(shù)依據(jù)二輥輥壓機設(shè)定。

極片寬度為450mm和550 mm，由于四輥輥壓機工作輥施加彎輥力，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，q=666.7 kg/mm。極片來料寬度為550 mm時，q=545.5 kg/mm。

為保證計算精度，在極片與軋輥、工作輥與支撐輥的接觸位置要進行網(wǎng)格的細化。網(wǎng)格劃分時，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，二輥輥壓機軋輥采用六面體單元C3D20R，四輥輥壓機軋輥采用六面體單元C3D8I，如圖3。

圖3. 壓機軋輥有限元模型

在實際極片輥壓中，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

實驗設(shè)備用電池極片輥壓機?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。極片輥壓時采用最大輥壓力300000kg。

沿極片寬度方向，實驗數(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到最大。如圖4。

圖4. 擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)比較

與仿真數(shù)據(jù)相比，實驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)較小波動，這是因為極片原料本身存在厚度偏差導(dǎo)致的。實驗數(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確性和正確性。

生產(chǎn)實踐中，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處進行切邊處理。

因此，利用軟件后處理器對仿真結(jié)果進行提取，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，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，四輥輥壓機?200／360x600與二輥輥壓機?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?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的四輥輥壓機在輥壓力相同時，輥壓450 mm寬的極片產(chǎn)生的輥壓效果是近似等效的。

所以，四輥輥壓機代替二輥輥壓機進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。四輥輥壓機中支承輥的存在可以一定程度上彌補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，并且可以實現(xiàn)極片輥壓寬度的增加，施加彎輥力是實現(xiàn)極片寬幅輥壓的一個有效途徑。