輥壓極片橫向厚度一致性解決方向和方法探析

黃碧其

（寧德新能源科技有限公司，福建 寧德 352100）

當(dāng)前鋰電池生產(chǎn)過程中的輥壓工序使用的設(shè)備均為輥壓機(jī)，通過輥壓機(jī)的輥壓作業(yè)，將基材上涂布的松散活性物質(zhì)壓實(shí)得到指定厚度的輥壓后極片。輥壓后的極片厚度一致性對(duì)鋰電池極片的卷繞和電性能一致性具有非常大的影響，因此輥壓極片的縱向和橫向厚度一致性要求在逐步提高。其中輥壓極片的橫向厚度一致性要求，除了受來料的涂布橫向一致性影響外，與輥壓機(jī)的軋輥撓度變形直接相關(guān)。本文從減小輥壓機(jī)的軋輥撓度變形的方向，改善輥壓極片的橫向厚度一致性，介紹軋輥材質(zhì)、輥系結(jié)構(gòu)和輥型設(shè)計(jì)等解決方法。

1 軋輥撓度變形機(jī)理

鋰電輥壓機(jī)是由傳統(tǒng)的鋼板軋制輥壓機(jī)借鑒和參考而設(shè)計(jì)的，一般為雙輥結(jié)構(gòu)，常見的機(jī)型上輥為固定輥，下輥為活動(dòng)輥，主液壓缸位于下輥軸承座底部，升壓頂起下輥，進(jìn)行極片輥壓作業(yè)。極片橫向分為整幅涂布、一出多等不同形狀，極片寬度從250 ～1400mm 均有，相同形狀的極片，因配方不同，所需要的輥壓軋制力20～200T 不等，軋制力差異極大。因此輥壓機(jī)的輥徑范圍?300mm ～?900mm，輥面寬度300 ～1500mm 不等，外形差異也很大。軋輥性能要求見表1，其中個(gè)別軋輥表面不鍍硬鉻。

表1 軋輥性能要求

圖1為一出四的極片在輥壓過程中的輥面撓度變形示意圖，極片被壓實(shí)的同時(shí)軋輥表面和輥身同時(shí)產(chǎn)生撓度變形。

圖1 軋輥工作示意圖

輥壓時(shí)極片位于軋輥中部，且軋制力沿極片寬度均勻分布，軋輥輥面中央與極片兩側(cè)邊沿的撓度差f，即可表征輥壓極片橫向厚度的一致性差異，如下：

式中，f1為由彎矩引起的撓度值，mm；f2為由剪力引起的撓度值，mm；P 為軋輥總的軋制力，T；E 為軋輥材料的彈性模量，Kn/mm2；G 為軋輥材料的剪切模量，Kn/mm2；D 為軋輥輥身直徑，mm；a 為軋輥主缸作用處的橫向?qū)挾?，mm；b 為極片的橫向?qū)挾?，mm；

改善輥壓極片的橫向厚度一致性，即需要減小輥壓機(jī)的軋輥撓度變形，可以通過改變軋輥材質(zhì)或表面處理技術(shù)，增大軋輥材料的彈性模量E 和剪切模量G；也可以增加軋輥彎缸力，增加軋輥的反方向撓度變形量進(jìn)行撓度值補(bǔ)償；也可以采用凸度軋輥的輥型設(shè)計(jì)，改變軋輥輥面直徑D 的橫向分布，補(bǔ)償軋輥輥面撓度變形差異；還可以通過熱壓技術(shù)，減小輥壓需要的軋制力P。

2 軋輥材質(zhì)

在2010 年前輥壓機(jī)軋輥材質(zhì)一般采用9Cr2Mo，隨著軋輥鍛造材料的改進(jìn)和軋輥品質(zhì)要求提高，2015 年后逐漸被9Cr3Mo 取代。目前鋼板冷軋行業(yè)已經(jīng)大量使用9Cr5Mo1V 的輥坯，且作為“工作輥”的推薦選擇材質(zhì)。

根據(jù)表2 的化學(xué)成分9Cr5Mo1V 相較于9Cr2Mo 和9Cr3Mo，具有更高的Mn、Mo 和Cr 含量。以上元素的含量增加，能提高材料的強(qiáng)度和硬度，增加材料的耐磨性和淬透性（經(jīng)淬火回火后具有較好的綜合力學(xué)性能）和機(jī)械性能，有利于改善軋輥的熱加工性能和提高熱處理后的表面硬度和耐磨性。因此采用9Cr5Mo1V 的輥坯具有更高的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，在相同的軋制條件下，軋輥的撓度變形更小。但因Cr5 系列比Cr2/Cr3 系列輥坯需要更高的制造成本，因此目前鋰電池輥壓機(jī)行業(yè)還未大量使用。未來隨著極片厚度精度要求提高，9Cr5Mo1V軋輥制造工藝成熟和成本的降低，后續(xù)軋輥的輥坯材質(zhì)必將逐漸被9Cr5Mo1V 取代。

表2 化學(xué)成分

3 軋輥預(yù)彎控制輥型

通過增加反向預(yù)彎力，產(chǎn)生反向彎矩?fù)隙茸冃?，可以減小輥壓作業(yè)時(shí)軋輥的彎矩?fù)隙茸冃巍D2 為采用無彎缸、消隙彎缸和獨(dú)立彎缸的不同輥系結(jié)構(gòu)的軋輥撓度變形示意圖，在相同長徑比條件下，彎缸增加的反方向作用力F，使軋輥產(chǎn)生反向的撓度變形，輥壓極片橫向厚度一致性更好。

圖2 不同彎缸的軋輥撓度變形示意圖

表3常見的輥壓機(jī)軋輥長徑比＜1.0 時(shí)，因彎缸力力臂短，彎缸施加的反方向撓度變形量較小，采用無彎缸設(shè)計(jì)；軋輥長徑比≈1.0 時(shí)，采用消隙彎缸或獨(dú)立彎缸的輥系機(jī)構(gòu)均有；軋輥長徑比＞1.0 時(shí)，普遍采用獨(dú)立彎缸的輥系機(jī)構(gòu)。

表3 輥壓機(jī)彎缸型式

消隙彎缸結(jié)構(gòu)：在上下軋輥端部?jī)蓚?cè)各增加1 組液壓缸，產(chǎn)生反向的作用彎矩，同時(shí)矯正上輥&下軋輥撓度變形。但消隙彎缸的設(shè)計(jì)彎缸力不足且同時(shí)作用于上輥&下軋輥，無法有效矯正輥型，輥壓極片橫向一致性改善不明顯。

獨(dú)立彎缸結(jié)構(gòu)：在上下軋輥端部?jī)蓚?cè)各增加2 組液壓缸，產(chǎn)生反向的作用彎矩，單獨(dú)矯正上輥/下輥的一側(cè)軋輥撓度變形。獨(dú)立的彎缸可以根據(jù)上下輥的作用方式不同，采用上輥大彎缸力，下輥小彎缸力，可減小彎缸力對(duì)主缸壓力的抵消而導(dǎo)致軋制力達(dá)不到工況需求。而且各個(gè)彎缸獨(dú)立設(shè)置彎缸力，可適應(yīng)傳動(dòng)側(cè)與操作側(cè)的結(jié)構(gòu)差異。隨著鋰電池能量密度逐步提高，極片的軋制力要求越來越高，且單機(jī)產(chǎn)能需求增大，需要更寬輥面的輥壓機(jī)，因此軋輥的彎矩和剪力產(chǎn)生的撓度變形量更大。所以未來輥壓機(jī)的輥系結(jié)構(gòu)將大量采用獨(dú)立彎缸和大彎缸力設(shè)計(jì)。

4 軋輥凸度處理

因極片輥壓過程中的剪力撓度變形，使整幅極片輥壓機(jī)時(shí)軋輥撓度變形為全輥面的內(nèi)凹撓度變形，測(cè)量輥壓后極片在兩側(cè)邊沿約30mm 寬度位置明顯厚度偏薄。

圖3取8070 輥壓機(jī)的軋輥工況為樣品，已知極片寬度b，預(yù)彎力，主缸壓力P，軋輥材質(zhì)和自重g，通過ABAQUS 仿真軟件進(jìn)行仿真模擬軋輥的輥面撓度變形。極片寬度500mm 時(shí)，極片邊沿與中心的撓度變形差異～24.13um。因?qū)嶋H生產(chǎn)中的極片寬度需滿足250 ～600mm，所以可以取輥面250mm 寬度處以20um 凸度，兩側(cè)類漸開線曲線形式縮小輥徑，使軋輥輥面直徑成中間凸起兩側(cè)逐漸減小的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，修磨成凸度軋輥。圖4使用修磨成凸度的軋輥為上輥，普通平輥為下輥，實(shí)際輥壓極片后的測(cè)量橫向厚度極差改善～0.4um。

圖3 軋輥?zhàn)冃畏抡媸疽鈭D與極片輥壓效果

圖4 凸度軋輥的極片輥壓效果

采用凸度軋輥的輥型設(shè)計(jì)，通過改變上輥撓度變形補(bǔ)償下輥輥面撓度變形差異，可以改善輥壓極片的橫向厚度一致性。但是因一出多非整幅極片在橫向方向上存在多條涂膜區(qū)，凸度軋輥會(huì)無法適應(yīng)不同膜區(qū)極片的橫向厚度一致性要求，所以目前軋輥凸度處理工藝一般用在整幅極片的輥壓生產(chǎn)中，且需要根據(jù)輥壓工況和極片寬度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5 其他解決方法

5.1 耐磨輥技術(shù)

極片輥壓過程中的粉塵和防銹要求，一般的軋輥表面均需要鍍硬鉻，但是鍍鉻層的硬度明顯低于熱處理后的不衰減層硬度，同時(shí)隨著鋰電池的極片壓實(shí)密度提高，輥壓機(jī)的需要的軋制壓力P 也越來越大，導(dǎo)致軋輥撓度變形和輥面磨損加劇，使用壽命縮短。因此2015 年以后，輥壓機(jī)逐步引入鍍碳化鎢的耐磨輥替代原有的鍍鉻輥。耐磨輥的軋輥表面由高溫熔融噴射加工碳化鎢涂層，一般碳化鎢涂層～100um，涂層硬度＞1300HV，即提高了軋輥表面硬度，又大大延長了軋輥使用壽命。目前國內(nèi)大多數(shù)鋰電池生產(chǎn)廠商均配置碳化鎢的耐磨輥。

5.2 熱壓技術(shù)

針對(duì)特殊配方的鋰電池極片，需要軋制力＞200T，甚至更高。通過改變軋輥材質(zhì)、表面處理或修磨輥型，已經(jīng)無法有效降低輥壓時(shí)的軋輥撓度變形。此時(shí)可以通過提高輥壓時(shí)的極片溫度，降低極片活性材料的壓應(yīng)力，從而可用較小的軋制力P 進(jìn)行輥壓作業(yè)。一般熱壓技術(shù)的工作流程：將加熱后的導(dǎo)熱油導(dǎo)入軋輥內(nèi)部循環(huán)，使軋輥加熱至工藝溫度，并對(duì)預(yù)熱后的極片進(jìn)行輥壓作業(yè)。因熱壓軋輥結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高，且安全風(fēng)險(xiǎn)較高，目前只有特殊工藝的極片生產(chǎn)時(shí)配置熱壓輥壓機(jī)，并未大范圍使用。

6 結(jié)語

當(dāng)前鋰電池產(chǎn)業(yè)多元化和細(xì)分化發(fā)展，極片配方出現(xiàn)了鋰鈷、三元、鐵鋰和混合等多種形式，極片橫向尺寸也多種多樣，導(dǎo)致輥壓極片橫向厚度一致性差的主要原因也不盡相同。因此鋰電池廠家一般采用獨(dú)立彎缸結(jié)構(gòu)的輥壓機(jī)，配置表面鍍碳化鎢涂層的高品質(zhì)軋輥，再根據(jù)不同的極片決定采用平輥或凸度軋輥進(jìn)行輥壓作業(yè)。運(yùn)用以上多種方法組合的方式，減小輥壓機(jī)的軋輥撓度變形提高輥壓極片橫向厚度一致性，必將是未來的大趨勢(shì)。