轧辊对电池极片厚度一致性影响分析

动力型锂离子电池需成组后才能作为动力源,而电池成组后,单体电池间性能的不一致成为电池组使用性能差、循环寿命短及安全性低等问题的主要原因,电池不一致性问题成为制约我国动力电池发展的关键。评价电池极片一致性的性能指标主要为极片厚度的均匀性。极片厚度的均匀性又可分为横向厚度均匀性和纵向厚度均匀性,2种厚度均匀性较差的原因存在差别。产生极片横向厚度差的主要原因为轧辊弯曲变形、机座变形、主要受力件的弹性变形等;极片纵向厚度差将会是周期性存在,其主要原因为轧辊、轴承、轴承座等的加工精度以及安装精度误差[1-5]。

极片的横向厚度差主要由轧辊的挠度变形引起,因而分析轧辊的变形是分析极片一致性影响因素的关键[6]。轧辊辊身的变形与其自身的结构和所受的力有关,因此,研究轧辊的辊径、轧制力的大小以及极片的宽度等因素对辊身的变形非常必要。

1 轧辊刚度变形计算

轧辊可理解为阶梯轴,截面变化明显,计算其变形比较复杂,本文利用多个参考系梁的挠度和转角的合成关系,分析轧辊在受力状态下的变形情况,然后再采用数值模拟的方法,建立参数模型对轧制过程中承受轧制力的轧辊进行静态模拟仿真,得到不同工况下轧辊的变形分布,这样既可较真实地反映轧辊受力情况,又可方便地得到不同条件下轧辊的轧制规律。

轧辊受力模型如图1所示。图1中,取3个截面,即截面1、截面2、截面3,其对应长度分别为L1、L2、L3,各段的抗弯刚度分别为EI1、EI2、EI3,支座A的反力为RA和截面B的剪力为QB。

图1 轧辊受力模型

计算由QB、F所引起截面B相对于梁截面1固连的动系1的相对挠度计算公式如下:

(1)

(2)

因此,截面B相对于动系1总的相对挠度为：

截面B在支座B处,因此其绝对挠度=0。若以支座B为静参考系,则截面B的绝对挠度等于动系1对截面的牵连挠度和截面B相对于动系1的相对挠度之和,即而牵连挠度=θA(L1+L2+L3),则可求得转角θA。取截面m,即轧辊最大变形处,求出截面m上的剪力Qm和弯矩Mm,再计算截面m相对于梁截面1固连的动系1的相对挠度公式为：

(3)

(4)

(5)

则有:

(6)

而动系1对截面m的牵连挠度为:

(7)

则截面m的变形量为:

(8)

取轧制力为最大时,即轧制力为2 000 kN,将数据代入(1)～(8)式,可得轧辊轧制区最大变形量约为57.264 μm。

2 建立轧辊有限元模型

在ANSYS Workbench中建立轧辊的实体模型,实际工作过程中是2个辊对极片进行轧制,为了简化模型,在受力分析时只对其中1个辊进行分析。对实体模型进行简化处理,去除尺寸较小的圆孔、凹槽、圆角等细小结构,以便于网格划分和节省求解时间。

对轧辊的材料属性进行设置,弹性模量设为236 GPa,泊松比为0.3,密度为7 810 kg/m3,强度极限为620 MPa。

2.1 划分轧辊有限元网格

采用网格划分工具mesh对轧辊进行网格划分,设定网格尺寸为15 mm,以辊径800 mm的轧辊为例,模型划分完成后其节点数为966 631,单元数为275 381。

2.2 确定轧辊边界条件

有限元模型的边界条件主要指施加在模型上的约束和载荷,确定模型的约束边界是有限元分析的基础[7]。本文对轧辊进行不同工况下的静态仿真分析,在轧辊轴承部分进行圆柱约束(cylindrical support),将轴向(axial)、切线方向(tangential)及径向(radial)设定为固定(fixed),用压力(pressure)代替极片反作用在轧辊上的轧制力,并垂直于辊面均匀施加在轧辊与极片接触区域的辊身表面上。分析时施加具体的约束条件和载荷。

3 极片一致性能的主要影响因素

3.1 轧制力对极片一致性能的影响

以辊径为800 mm的轧辊作为分析对象,该

轧辊模型的主要参数见表1所列。

通过改变轧制力大小,得到轧辊变形的规律。设定6种轧制力(F)的工况,分别为：工况1(F=500 kN)、工况2(F=1 000 kN)、工况3(F=1 500 kN)、工况4(F=2 000 kN)、工况5(F=2 500 kN)、工况6(F=3 000 kN)。得到的轧辊变形云图如图2所示。

表1 轧辊模型主要参数

图2 6种轧制力工况下的轧辊变形云图

极片边缘应力集中,导致其变形比极片中部变形大很多,在实际生产时会将极片2个边缘一定宽度范围的厚度误差忽略不计。6种工况下的轧辊最大变形和极片截面厚度差值,见表2所列。表2中,F为轧制力,N为辊身最大变形,T为极片截面厚度差。

表2 6种轧制力工况下辊身最大变形和极片截面厚度差

在6种工况下,取辊身变形区沿轴线方向的若干点,两端的点取向内移3 mm取得,作出6种工况下辊身总变形曲线,如图3所示。

图3 6种轧制力工况下轧辊辊身总变形曲线

从表2、图3可以看出,在相同辊身直径和极片宽度条件下,轧辊辊身的总变形随着轧制力的增大而增大,工况6时轧辊总变形为97.185 μm,比工况1时的轧辊总变形(16.172 μm)增大了81.013 μm;轧制区域辊身总变形量的差值也增大,工况6时轧制区域辊身总变形量的最大差值为33.503 μm,工况1时轧制区域辊身总变形量的最大差值为5.591 μm,由于轧辊两端轴颈承受轧制力增大,引起轧辊挠度变形增大,最终导致极片截面厚度差也随之增大。

3.2 极片宽度对极片一致性能的影响

极片宽度是根据电池设计尺寸与生产工艺要求而确定的,一般常用的分条之前的极片宽度在200～700 mm之间。为了更加明显地显示极片接触区域的变形,采用单因素法,即保持轧辊施加轧制力2 000 kN不变,只改变极片宽度(L),分为工况1(L=200 mm)、工况2(L=300 mm)、工况3(L=400 mm)、工况4(L=500 mm)、工况5(L=600 mm)、工况6(L=700 mm)。6种工况下静态轧制区面积见表3所列。表3中,L为极片宽度;S为静态轧制面积。

极片宽度不同在进行网格划分时需要的印记大小也会相应改变,采用六面体网格划分方法,网格大小为15 mm,得到网格均匀的模型,对模型进行圆柱约束并施加载荷，分析得到轧辊的变形情况,如图4所示。

表3 6种极片宽度工况下轧辊静态轧制区面积

图4 6种极片宽度工况下的轧辊变形云图

6种工况下的辊身最大变形值和辊身总变形量最大差值见表4所列。

表4中,L为极片宽度；N为辊身最大变形；H为辊身总变形量最大差值。

表4 6种极片宽度工况下的N、H

在6种工况下,取辊身变形区沿轴线方向的若干点,作出6种工况下的辊身总变形曲线,如图5所示。

图5 6种极片宽度工况下轧辊辊身总变形曲线

从表4、图5可以看出,在极片宽度不同的情况下,轧辊的辊身总变形差别比较大,工况1(L=200 mm)时,辊身最大总变形为137.75 μm,工况6(L=700 mm)时,辊身最大总变形为58.401 μm,辊身最大总变形减小了79.349 μm。

轧制区域轧辊的辊身总变形量最大差值由工况1的51.301 μm,减小到17.479 μm,减小了33.531 μm,因此,在轧制力相同的情况下,辊身最大变形随着静态轧制面积(即辊身和极片接触部分)的增大而减小。由此可以发现,工况1相比于工况6的静态轧制面积减小4.0×103 mm2,即极片与轧辊之间的接触面积减小4.0×103 mm2,在相同轧制力的情况下,工况1中的轧辊受力集中程度要大于工况6,当增大极片宽度即增大静态轧制面积时,轧辊受力集中程度在逐渐减小,因此辊身总变形也在逐渐减小。

3.3 轧辊辊径对极片一致性能的影响

轧辊的辊径是一个重要参数,由于辊径与轧辊的变形直接相关,辊径对电池极片厚度的影响较大[8-9]。

设定轧制力为2 000 kN、极片宽度500 mm不变,采用目前常用的轧机辊径φ500 mm、φ600 mm、φ750 mm、φ800 mm等,设定4种轧辊尺寸,即工况1(φ500 mm×550 mm)、工况2(φ600 mm×600 mm)、工况3(φ750 mm×800 mm)、工况4(φ800 mm×800 mm)。4种工况下静态轧制区面积见表5所列。表5中,S为静态轧制区面积。

表5 4种轧辊尺寸工况下轧辊静态轧制区面积

其他参数设定同上,应用相同的网格生成方法得到4种工况的网格划分情况:工况1,节点148 892,单元44 902;工况2,节点227 424,单元67 926;工况3,节点442 070,单元130 044;工况4,节点479 300,单元138 738。对4种工况下的轧辊作仿真分析得到轧辊总变形云图,如图6所示。

图6 4种轧辊尺寸工况下轧辊总变形云图

4种工况下的辊身最大变形和辊身总变形量最大差值见表6所列。表6中,D为辊径；N为辊身最大变形；H为辊身总变形量最大差值。

在4种工况下,取辊身变形区沿轴线方向的若干点,作出4种工况下的辊身总变形曲线,如图7所示。

从表6、图7可以看出,工况2(D=600 mm)时辊身的总变形比工况1(D=500 mm)时的辊身变形小,工况4(D=800 mm)时的辊身总变形比工况3(D=750 mm)时总变形小。

表6 4种轧辊尺寸工况下的N、H

图7 4种轧辊尺寸工况下辊身总变形曲线

由3.2节分析可知,极片的宽度对轧辊的变形影响较大。在分析辊径变化时,轧辊辊身宽度也在相应变化,辊径为750 mm时的辊身宽度为800 mm,辊径为600 mm时的辊身宽度为600 mm,正是由于辊身宽度的差距使得工况2的辊身变形与工况3的辊身变形相近,工况2的辊身最大变形要比工况1的辊身最大变形小9.698 μm,工况4的辊身最大变形要比工况3的辊身最大变形值小4.769 μm。在没有极片宽度的影响下,辊径的变化对辊身的变形影响将更大,比较工况4和工况3轧制区域辊身总变形最大差值的影响,可以看出,工况4的厚度差为26.121 μm,工况3的厚度差为27.251 μm,且从图7可以看出,工况4时在辊身中部的变形曲线最为平缓,表示辊身变形均匀性最好,极片的厚度均匀性也将提高。

辊身的直径和宽度比是衡量辊径变形的重要指标,下面比较直径和宽度比值相等的2种工况,即工况2(D=600 mm)和工况4(D=800 mm),工况2的最大变形为75.314 μm,工况4的最大变形为66.364 μm,最大变形减小了8.95 μm;工况2时轧制区域辊身总变形最大差值为32.359 μm,工况4时的轧制区域辊身总变形最大差值为26.121 μm,减小了6.238 μm。由以上分析可以看出,辊身的变形直接影响极片截面厚度的均匀性,因此辊径的变化对电池的一致性存在较大的影响。

4 试验数据分析

在某极片轧制设备公司的协助下,使用公司产品型号为XJSR80×75-C的电池极片轧制设备进行试验,试验所用的极片涂布材料为磷酸铁锂,极片的涂布厚度为0.180 mm,分析轧制力时用的极片宽度为600 mm,分析极片宽度时,由于没有合适尺寸的极片产品,不同宽度的极片是通过裁剪得到的。测量工具为数显千分尺。

(1) 改变液压系统的作用力,在保证其他参数不变的情况下,实现轧制力的变化。分为6种工况:工况1(F=500 kN)、工况2(1 000 kN)、工况3(F=1 500 kN)、工况4(F=2 000 kN)、工况5(F=2 500 kN)、工况6(F=3 000 kN)。采用恒压力轧制。

采集20个极片横向等间隔的采样点,得到极片的厚度曲线,如图8所示。

图8 6种轧制力工况下极片厚度变化曲线

比较图3和图8,极片在轧制力变化的情况下,极片变形基本与轧辊的变形相符。从图8可以看出,工况1时极片的厚度曲线比较平缓,极片的厚度差为12 μm;工况4时极片的厚度曲线有些波动,但是波动程度并不大,极片的厚度差为13 μm,厚度差变大;工况6时,从极片厚度曲线的形状能明显看出中间厚两边薄的现象,厚度差也达到了18 μm。轧制力的变化引起轧辊变形以及极片的厚度差变化,不同的电极材料需要的压实密度不同,因此在满足压实密度的要求下,选取相对小的轧制力能有效减小极片的不一致性。综合以上分析可以得出，轧制力对极片的厚度均匀性影响较大。

(2) 改变极片宽度,分析极片宽度变化对极片一致性影响。将轧制力设定为2 000 kN,将极片宽度的试验工况定为6种:工况1(L=200 mm)、工况2(L=300 mm)、工况3(L=400 mm)、工况4(L=500 mm)、工况5(L=600 mm)、工况6(L=700 mm)。得到的极片厚度曲线如图9所示。

图9 6种极片宽度工况下极片厚度变化曲线

比较图5和图9可见,极片宽度的改变会引起轧辊的变形变化,作用到极片上的影响结果为极片厚度的变化。在一定轧制力作用下,工况6时极片的厚度曲线比较平直,波动比较小,极片的最大厚度差为11 μm;工况1时极片的厚度曲线出现波动较大的现象,极片的最大厚度差为16 μm,增大了36%,极片的厚度差随着极片的宽度减小而变大。由以上分析可以得出,极片的宽度是影响极片厚度一致性的一个非常重要的影响因素。

5 结 论

本文研究了极片轧辊对电池极片一致性能的影响,分析了极片的纵向不均匀性的影响因素。对极片的横向厚度不均匀性的原因进行仿真分析,发现轧制力、极片宽度以及轧辊的辊径都会对轧辊的挠度变形产生影响,分析了影响极片一致性的原因。仿真分析结果表明,轧制力变大,轧辊本身的变形也在逐渐增大,由于轧辊两端轴颈承受轧制力,引起轧辊挠度变形增大,最终导致极片截面厚度差也随之增大;当增大极片宽度即增大静态轧制面积时,轧辊受力集中程度在逐渐减小,因此辊身总变形也在逐渐减小;辊径变大,辊身的变形将变小,极片厚度均匀性变好。采用某公司XJSR80×75-C的电池极片轧制设备进行现场试验,对极片横向等间隔进行采样,试验结果表明轧制力、极片宽度对轧制后的极片厚度一致性有非常重要的影响。