鋰電池極片不平度研究與輥壓機結構優化分析

朱海鑫

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

摘? 要：輥壓以后，鋰電池極片的實際厚度會發生不均勻的變化，為了有效避免其極片厚度變化情況，提升鋰電池的整體質量與穩定性，就必須要針對實際情況，對輥壓機結構進一步優化，并在壓輥兩側安裝液壓缸，并搭建輥壓極片設計平臺，改進與優化之后的結構，可有效改進鋰電池厚度的整體均勻度，從而不斷提高鋰電池的生產效率與質量。

關鍵詞：鋰電池? 極片不平度? 輥壓機? 結構優化

中圖分類號：TM91? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：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中是非常常見的一種電池能源，在極片生產過程中，一般情況下會使用輥機壓實涂布之后的正負極，從而提高放電容量，減少內阻，這樣也能夠有效提升鋰電池的實際利用率。輥壓機對鋰電池極片進行壓制過程當中，極片兩側厚度會低于中部，這樣也會直接影響極片的整體質量。本文對鋰電池極片不平度現象發生的原因進行了分析，并進一步探討了鋰電池極片不平度與輥壓機結構優化措施，其對提升鋰電池生產質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，極片質量也會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鋰電池并聯，或者是串聯組成的，電池系統也不能有效控制極片的整體質量。此外，由于受到電池實際制造工藝技術的影響，也會對電池的穩定性與安全性產生不同程度的影響[1]。

1.1 極片輥壓機對極片的影響

輥壓機在對極片進行輥壓之前，會根據極片的規格以及厚度等方面條件，對主動輥和從動輥兩者之間的間隙進行適當的調節，因為和一般塊狀較大物質輥壓有所不同，極片輥壓機兩輥間有0.8～1.2mm過盈量，所以，也會對壓輥本身產生不同程度的彎矩。針對力矩疊加的基本原理，可進行計算，并獲得壓輥總撓度數據，通過分析得出，極片厚度不均勻主要是因為壓輥軸方向所受到的不同力所導致的，其產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。先搭建壓輥模型，big采用Solidworks軟件建立靜態應力分析。測量壓輥直徑，測算輥壓前后極片的厚度實際變化情況，并獲得極片和壓輥圓周角數值、計算接觸面積數值，繪制接觸面的實際作用力范圍，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。在進行仿真分析前，還需要構建坐標系，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。使用曲率網格劃分方法，進一步提升仿真精度，仿真運行之后，獲得壓軸的移位曲線圖，并分析曲線圖，可得出在輥壓之后，出現厚度不均勻情況的具體原因。仿真分析實際結果顯示，和受力分析結果之間進行對比，壓輥變形不平整度曲線和其基本一致，這也能夠充分說明輥壓整個過程中，發生了變形狀況，從而造成極片壓制厚度發生了不均勻的情況[3]。

2? 輥壓機結構優化分析

對傳統極片輥壓機結構存在的弊端和不足進行分析，在實際改進與優化過程中，可在輥壓兩側分別安裝軸承座，同時在軸承座安裝液壓缸，該結構在實際運行過程中，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際延長方向基本一致。對壓輥某一端進行分析能夠得出，這樣的作用力在施加之后，會導致上壓輥向下彎曲的情況，下壓輥會逐漸朝上彎曲，液壓缸在施加到X軸和Y軸2個方向的力是基本一致的，這樣也能夠有效中和極片對壓輥的作用力效果，從而盡可能避免出現壓輥變形的情況[4-5]。其次，壓輥切向方向也具有張力，在和輥壓力的作用下，會導致Y軸方向發生不同程度的偏移，因此，要最大程度上保障液壓缸施加在壓輥兩側的實際作用力不同，從而有效降低壓輥發生變形的概率[6-7]。

2.1 建構輥壓機優化結構模型

通過Solidworks軟件構建輥壓機模型，并對壓輥進行重點結構改進，所以，應當使用剛化處理的模式，對輥壓機結構進一步優化，并使用曲率網格劃分方法，對上壓輥與下壓輥進行網格劃分[8-9]，并在壓輥兩側建立軸承座模型與液壓缸模型。輥壓機左側接觸輥壓極片，液壓缸便會向上施加作用力，并消除壓輥X軸彎曲應力。其次，還應當保障1液壓缸的實際推力大于2液壓缸，這樣也能夠及時、有效地消除壓輥Y軸方向張力。采用仿真分析，能夠得到設計算例，以液壓缸作用力為計算參數變量，并以長范圍參數變量作為具體設置參數，如圖2所示。

2.2 對壓輥兩端液壓缸施力狀況進行分析

優化參數設置過程中，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，步長選擇3×103N，仿真結構選取過程中，壓輥位移變形最小值作為參數優化目標。數據結果表明：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。采用千分尺分別測量輥壓機結構在優化前后的極片厚度，將橫向等距劃分為51個探測點，并科學取值。

結果顯示，在優化與改進輥壓機結構之后，其對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。通過對液壓缸作用力壓輥上的具體數值進行極端，并結合參數結果進行分析，這樣能夠及時得到兩側液壓缸施加的實際壓力值。實驗數據能夠得出，液壓缸直徑在10cm時，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定運行，促使輥壓和實際工作需求之間相符合，如圖3所示。

2.3 輥壓機操作相關軟件的二次開發分析

為了有效提升操作的便捷性，要針對各種不同輥壓機尺寸與具體型號極片，并設計第二次開發軟件，完成模型構建之后，合理選擇VC++開發工具，并生成，結合參數表，使得模型更加參數化，與Access進行合理連接，并及時調用宏來提供相應的服務，在完成控制后，二次開發過程中，可直接在應用程序當中使用，從而大大簡化了實際開發過程。建立輥壓機，通過仿真軟件分析液壓缸數值。設計的軟件平臺，可直接輸入輥壓機極片參數，這樣能夠快速、準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? 結語

經過實時測量，獲取測量結果，經過優化改進之后的極片輥壓機，可在最大程度上保障極片厚度的實際均勻性，這樣也能夠有效提升鋰電池的性能與比功率。通過構建輥壓機二次開發軟件，這樣能夠針對輥壓過程當中的各項不同情況，求得實際參數。實驗結果顯示，該方法能夠進一步提升極片壓實密度，讓極片質量更加均勻，也提升了極片輥壓的實際速度。

參考文獻

[1] 關玉明，姜釗，趙芳華，等.鋰電池極片不平度研究與輥壓機結構優化分析[J].機械科學與技術，2018（2）：129-134.

[2] 劉斌斌，杜曉鐘，王榮軍，等.動力鋰離子電池極片的輥壓工藝研究[J].機械科學與技術，2018（4）：106-112.

[3] 劉怡勝，李健，李新.硅酸鈣板輥壓機滾筒的強度分析與優化設計[J].機械研究與應用，2019，32（6）：47-51，54.

[4] 黃毅，周兵.鋰離子電池打包機的結構分析及優化[J].湖北工業大學學報，2019，30（2）：42-44.

[5] 日力夏提·阿布都熱西提，尼加提·玉素甫，買買提明·艾尼.旋耕刀結構優化設計與動力穩定性分析[J].農機化研究，2016（1）：57-61.

[6] 閆法義，鄒勇.航天熱控制系統關鍵受力部件結構分析與優化研究[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2019（1）：194-197.

[7] 王威，孫長杰，王麗，等.基于改進卡爾曼濾波算法的鋰電池荷電狀態在線估算分析與研究[J].艦船電子工程，2020，40（3）：124-129.

[8] 龔正.重組竹材生產中自動化裝模關鍵裝置研究[D].杭州：浙江農林大學，2019.

[9] 張城.電動汽車動力電池綠色設計方法研究[D].合肥：合肥工業大學，2019.