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电池辊压仿真分析

28/06/2023 字号:

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电池是现代社会中不可或缺的能源储存设备,其性能的优劣直接影响到电动汽车、手机、笔记本电脑等电子产品的使用体验和市场竞争力。因此,如何优化电池制造工艺,提高生产效率和产品质量,成为了电池行业中的一个研究热点。

目前大多数电池的电极材料都是由颗粒组成,EDEM离散元仿真能够模拟并优化电极微观结构,分析工艺参数对电极材料、成分、厚度和性能的影响。

EDEM离散元仿真模拟电极微观结构

电池辊压仿真分析

在电池制造过程,辊压缺陷问题主要包括:辊压厚度不均匀,极片出现波浪边/卷边,极片表面出现暗纹条,极片出现断带,极片出现翘曲等。极片质量的好坏直接影响到电池的能量密度、循环寿命和安全性能。本文将通过EDEM与有限元联合仿真,分析电池极片的辊压工艺过程。

电池辊压仿真分析(DEM-FEM)


  • 辊压厚度不均匀

电池的高能量密度源于电极的高压缩密度。颗粒密度随着压力增大而增加,但当压力过大时,活性颗粒会发生破碎,密度减小。
辊压厚度纵向不均匀主要体现在辊的厚度符合要求是在极片分切时却出现厚度增大的现象,这也称为极片辊压的厚度反弹。
在EDEM中,能够分析颗粒涂层在辊压过程的压实密度、孔隙率、回弹率厚度分布等。


在EDEM中分析涂层孔隙率和颗粒密度

  • 极片出现波浪边/卷边

极片出现波浪边/卷边出现的原因主要是极片辊压过程中延展率比较大造成的,主要的影响因素是辊身直径小、极片辊压前张力小、极片厚度压缩量大等。
通过仿真可以针对调整辊身直径,辊压前张力,以及辊子间距,并通过仿真分析其边缘箔片的变形量以及活性物质或箔片的横向剪应力情况来进行优化评估。


颗粒涂层正应力(左)和剪切力(右)云图

  • 箔带出现断带

极片出现断带的主要原因包括张力不均匀、不稳定,极片边缘凸起严重等因素。这些问题会导致极片在生产过程中出现断带或破孔等情况,影响产品质量和生产效率。
如果存在颗粒等质地不均匀的现象,软的颗粒会被碾碎脱落,而硬的颗粒则会挤压箔带,造成箔带破孔甚至断裂。
将EDEM中的颗粒载荷导入到有限元软件中,对箔带的张力分布,压力分布以及形变情况进行监测,防止出现极片断带现象。


箔片变形云图

  • 极片表面出现暗纹条

极片表面出现暗纹条主要是因为轧辊表面存在振纹,而轧辊表面振纹是由轧辊表面的不均匀磨损或变形等因素引起的。
EDEM结合有限元软件对轧辊进行应力及变形分析,同时确定轧辊磨损后产生的暗纹条情况,预测轧辊的使用和更换周期,确保其辊压质量始终满足生产要求。


轧辊应力(左)及变形(右)云图

电解液浸润分析
此外,活性物质颗粒床孔隙中的电解液填充是非常重要的。锂离子在孔隙内通过电解液传导,电解液浸润越充分,有效锂离子电导率也越大。

采用离散元与光滑粒子流体动力学(DEM-SPH)耦合仿真,可以模拟并优化电解液填充经辊压制成的活性物质颗粒床中的浸润情况。


电解液浸润仿真分析(DEM-SPH)