一、引言

近年来，随着国内锂电池产业的快速发展，锂电池导热辊技术也取得了显著进步。国内多家企业和研究机构致力于导热辊材料的研发和生产，不断提升其导热性能、耐磨性和使用寿命[1]。国内研究者在导热辊材料方面进行了大量探索，如采用高导热系数的金属复合材料、陶瓷基复合材料等，以提高导热辊的散热效率。在制造工艺方面，国内企业不断优化生产流程，提高加工精度和表面质量，以满足锂电池生产对导热辊的高要求[2]。

国外在锂电池导热辊技术方面起步较早，技术相对成熟。例如日本、德国等国家的一些知名企业，在导热辊材料、设计和制造工艺方面处于领先地位。国外研究者不断推动导热辊技术的创新，如开发新型导热材料、优化辊体结构、提高辊面精度等，以满足更高性能的锂电池生产需求[3]。

锂离子电池主要由正极、隔膜、负极、有机电解液、电池壳、电池盖等构成。电池正负极极片轧制的目的在于增加正极或负极材料的压实密度，合适的压实密度可增大电池的放电容量，减小内阻，减小极化损失，延长电池的循环寿命，提高锂离子电池的利用率[4](P59)。压实密度过大或过小，不利于锂离子的嵌入或脱嵌，需要根据极片材料属性和电池要求达到一个合理范围。对于各种极片材料，包括常规钴酸锂、三元材料、磷酸铁锂材料，电池极片轧制工艺核心问题主要是研究以下几点：

(1)如何减少极片在轧制过程中的延展率和宽展率，并减少对微孔架构的破坏；

(2)轧制极片时如何提高极片的压实密度，并保证极片轧制后的平整度；

(3)如何降低极片在轧制后表面材料的反弹；

(4)如何保证极片轧制厚度的一致性。

在锂电池极片的轧制过程中，对力和温度的控制影响着极片的压实密度及其厚度的一致性等，因此对轧制过程有很高的技术要求。而导热辊是影响极片这些性能的重要工具，其性能对轧制极片的质量有着相当重要的影响。

二、导热辊的工作原理

基于上述锂电池工艺对导热辊使用的必要性，本文介绍了导热辊压制锂电池极片的过程。在此过程中，利用摩擦力将极片拖进辊缝之间，使之受到压缩产生变形，从而实现锂电池极片的轧制[4]。其工作原理图如图1所示。

图1导热辊工作原理图

在轧制过程中，与轧辊接触并产生压缩变形的区域称为变形区(ABCD),主要参数有：轧辊半径R,极片轧制前厚度H,极片轧制后厚度h, 咬入角α,极片轧制量：

H=H-h=2R(1-cosα)

而轧制量的大小决定了极片的压实密度，以及轧制后的厚度一致性等质量问题。

(一)导热辊的结构组成

导热辊是对电池极片进行轧制加工的工具，辊的结构由辊身、辊径及传动辊头、辊身内部孔道等四个主要部分组成，其结构如图2所示：

图2导热辊的结构图

1.辊身；2.辊颈；3.辊头；4.斜向孔道；5.进出油孔道；6.轴向孔道。

辊身是轧辊最重要的部分，其直接与极片接触并使其产生塑性变形，不仅承受很大的轧制压力，同时还承受着交变负荷。因此，辊身的结构材料与工艺要求十分重要，此关系到所轧制极片的质量。辊颈位于辊身的两端，与轧辊轴承接触，并且轧辊轴承对导热辊起支撑作用，在工作中，辊颈会受到很大的弯矩和扭矩，而辊颈与辊身交界处是应力集中的部位，是导热辊强度上的薄弱环节，该处必须具有适当的过渡圆角。辊头位于轧辊两端，连接轧辊与轴套或连接轴，主要承受扭转力矩[5]。

需要注意的是，导热辊内部孔道结构十分复杂，进油与出油孔道分为外孔道和内孔道。导热油由内孔道通入辊身并且在辊身内分流、循环之后由外孔道流出，此孔道孔径较大，位于辊身横截面正中央。斜孔道是将通入的导热油导入轴向孔道内或是将轴向孔道内的导热油导出[6]。它也是均匀分布在辊身截面上。

(二)导热辊结构工艺性

企业生产线上比较常见的导热辊一般采用9Cr2Mo合金钢材料，本文以此材料为例进行研究，导热辊轧制锂电池极片时，轧制温度对轧制的质量影响非常大，温度过高或过低都会使轧制的极片质量得不到保证。120～150℃是锂电池轧制的最佳温度，所以，必须使辊面温度稳定在这个范围内，才能轧制出质量良好的极片。因此需要把一定温度的油通入导热辊内部，在辊身内开孔，使油从孔中通入到辊面，从而使辊面温度达到一定值，保证轧制极片的质量。

但是在辊身开多大孔、孔的分布方式、开孔位置等均对导热辊的强度有影响，会导致截面突变处会产生应力集中，所以对于导热辊的结构改良，以及工作时的应力仿真分析是很有必要的。

由于辊内轴向孔道与辊面的距离的不同会影响到导热辊轧制极片时辊身的应力分布及大小。在加工导热辊时，轴向孔道与辊面的距离的大小也会影响到加工的难度，所以研究分析轴向孔道与辊面的距离不同的导热辊在工作时的辊内应力分布情况是很有实际意义的[7]。为研究导热辊在轧制过程中辊身应力分布情况与此距离的关系，需要建立轴向孔道与辊面距离不同的三维辊模型，并分别加载、分析应力分布情况。

如图3所示，首先分析辊压载荷在压辊中间左右对称分布的情况，极片宽度为b, 在辊压过程中，极片的中心线与压辊中心线重合，极片边缘在左右两侧距离压辊边缘距离均为a, 压辊有效受力点总长度为L,辊压极片反作用力为p, 均匀作用在下压辊上，方向垂直向下。

图3导热辊的受力分析图

其最大挠度fmax的计算方式如下：

式中：fmax为最大挠度(mm);p为均布载荷(N/m);E为9Cr2Mo材料弹性模量(GPa);I为压辊转动惯量(kg·m2),对压辊的转动惯量I=πD4/64。

通过上述公式即可对不同的尺寸和材料的热导辊进行相应的弯曲挠度计算，然后通过有限元分析其内部应力，即可得出不同的热导辊结构对加工和受力性能的影响，从而决定距离导热辊油孔开孔及其位置分布方式是否合理。

三、导热辊的结构改进与优化

导热辊模型的建立是对辊系统进行静力分析的关键部分，建立的模型是否合理将直接影响计算结果的正确性，然而实际的轧辊比较大，所受负荷种类较多，在建立有限元模型的过程中，无法将所有因素都考虑进去，因此需要对轧辊进行必要的简化，建立既有利于分析计算，又能较真实的反映实际工作情况的有限元分析模型。

在导热辊中，除了上述主要组成部分外，还有其他的细节结构，如倒角、倒圆角、退刀槽、键槽等。这些结构在有限元分析计算中对整体的静力分析并不重要，影响甚小以至于可以忽略，并且这些结构在有限元分析中会对计算过程和速度产生较大影响[8]。综合考虑，可以对这些结构进行简化，简化的原则如下：

(1)研究对象能全面，准确地反映结构在工作状态下的变形和应力特点；

(2)结构模型和实际形状应保持几何相似，对研究问题影响不大的局部地方，进行适当简化；

(3)结构模型的受力应与实际的外载相符合。

根据上述简化原则，简化后的导热辊模型如下图4:

图4导热辊及其截面的简化图

本文所研究的导热辊是生产锂电池极片过程中所用的轧制工具，其尺寸由生产厂家提供。

辊身、辊颈尺寸：其辊身直径为800mm, 长为700mm; 两端轴颈处由280mm的轴承支撑，轴颈直径为340mm。

内部孔道尺寸：进出油孔道为圆形孔，直径90mm; 斜向孔道截面也为圆形，直径17mm; 轴向孔道长为600mm。根据上述对导热辊结构和尺寸的介绍，利用三维CAD软件Pro/e建立其三维模型如下图5所示。

图5导热辊内部结构透视

四、导热辊模型的验证分析

(一)对模型划分网格

有限元分析离不开网格的划分，一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加。所以在确定网格数量时应权衡这两个因素。综合考虑，本文主要计算导热辊的静力特性，在考虑到计算精度、运算速度、计算机硬件设施以及软件平台的支持能力等方面后，本文采用较少的网格数量，采用均匀的网格密度，利用ANSYS网格划分功能对机体进行一次性网格自动划分，无人工干预，使网格划分更加合理些，网格单元数为42 539,节点数为65 909。

(二)设定约束条件及施加载荷

在导热辊轧制极片的过程中，极片在工作辊间承受轧制压力的作用而产生弹塑性变形。与此同时，极片也给轧辊以大小相等方向相反的作用力，另外对于所研究的上辊而言，轧辊轴承将对辊施加轧制力，电机传出的转矩也将作用在导热辊的输入端[9]。导热辊在其工作时受力可以概括为三种：轧制力，极片的反作用力，电机传出的转矩。

经过在工厂的调查，此导热辊在轧制极片时的载荷为600吨，即在每个轴颈上将承受300吨的载荷；电机传递到导热辊的扭矩为15 000 N·MM。根据导热辊的受力分析，可以对模型施加载荷。在施加载荷的时候，考虑到加载的情况与实际情况接近及计算的简化，加载情况如下，在电池极片的下表面施加固定约束；在导热辊的两端轴承处加载向下的轴承载荷，总载荷大小为600吨；在电机输入端加载扭矩，方向沿着x轴，扭矩大小为15 000 N·MM。

(三)不同导热辊内部孔道尺寸及其应力分布云图

在计算中选择“normal stress”,可以通过改变Orientation栏中“x”“y”“z”轴查看不同方向上的应力；选择“Equivalent stress”查看等效应力图。根据计算结果，以内部孔道距离辊面尺寸为50mm、70mm、90mm为例，查看其“x”方向、“y”方向、“z”方向和等效的应力云图，如图6～8所示。

图6距离50mm等效应力图

图7距离70mm等效应力图

图8距离90mm等效应力图

(四)结果分析与比较

根据上述计算方式，在对三种距离进行计算后，将应力云图上的最大应力值列入下表1,根据应力云图和下表分析导热辊中轴向孔道与辊面距离大小对应力分布影响及导热辊中应力分布情况。

表1导热辊最大应力情况表(单位:Mpa)

从表中和应力云图中可以看出，当轴向油道与辊面的距离增大时，X、Y、Z方向上的应力会逐渐减小。在加工导热辊时，考虑到轴向孔道与辊面的距离越近，则对导热辊轧制极片的温度控制越容易，并且油的热量很容易传达辊面，对导热性越有利。但是，这个距离越小则加工难度越大，并且从应力角度来看，这个距离越小，辊在轧制极片时所受的应力越大。所以，在加工导热辊时应该综合各方面的考虑，在满足强度条件下可将轴向孔道与辊面距离选得较近。

在等效应力中，距离70mm辊应力过大，造成此结果的原因可能是应力剧烈集中。由于结构的原因，各方向上的应力并不大，但是在合并之后却会特别大。而距离90mm辊应力虽然较小，但是90mm的距离，势必造成热量的传递减弱，而距离50mm辊，由整辊的应力云图可以看到，在导热辊的两轴颈处受到的应力相对不是很大，传热效果优于70mm与90mm, 所以，在工厂加工导热辊时，必须考虑到此处的应力集中与导热速率的情况。综上所述，可以得出距离50mm辊面是最合适的参数。

(五)试验研究

极片压实密度在锂离子电池的设计和生产中是一个重要的参数，它直接影响电池的性能，一般来说，极片压实密度越大，意味着单位体积内可以容纳更多的活性物质，从而能够存储更多的电能，提高电池的容量，降低电阻，提高电池的导电性能，有助于减少电池在充放电过程中的能量损失，提高电池的充放电效率。然而，需要注意的是，一味地追求高压实密度并不可取。压实密度过大可能会导致极片内部的孔隙度会减小，会导致电解液难以充分浸润极片内部，影响电池的性能发挥，反而增加电池的内阻，导致电池在充放电过程中的能量损失增加。因此，在实际生产中，需要合理控制极片的压实密度。

锂电池辊压机中，上下轧辊采用导热辊结构，导热辊内部孔道尺寸大小，其性能受极片质量的影响显著，而极片的质量又与其压实密度、平整度以及涂层表面的活性物质保护等因素密切相关。在某企业的实际应用中，测试实验取距离辊面50mm的导热辊作为实际生产工具，通过多次不同材料，包括钴酸锂、三元材料、磷酸铁锂等材料的每组材料做了10次辊压实验，不同材料正常的压实密度范围如表2所示。对于企业生产来说，在正常范围内，极片压实密度越大越好。其实验数据分析结果如图9,实验数据表明了三种常规商用材料的正极极片，利用本文设计思路改进的导热辊进行生产，其压实密度均在正常范围内，且数据较为优良。因此表明本次改良的导热辊能够很好地控制极片生产过程中的温度，在辊压过程中降低极片的反弹率，保护涂层表面的活性物质，降低内应力，并优化极片的孔洞结构和导电剂分布，从而提升了锂电池的电化学性能。

表2几种商业正极材料的真密度和压实密度范围表

图9不同材料的压实密度测试数据统计

五、结论

综上可知，本文以企业常采用的9Cr2Mo合金钢材料导热辊为对象，运用材料力学知识和有限元静强度分析理论对极片轧机轧辊进行应力分布情况分析，利用ANSYS 软件进行了相关计算，得出以下结论：

1.通过内部具有斜度的孔道的导热辊，可以有效降低极片的反弹率，增加极片压实密度。通过实际导热辊进行正极极片辊压实验测试证明，改善效果尤为明显，与上述ANSYS软件计算分析的结果一致。

2.导热辊中轴向孔道与辊面距离越大，辊的材料性能越好，寿命越长。但轴向孔道与辊面距离越小，对电池极片的轧制温度更好控制。而实际生产中综合考虑两方面因素，导热辊内道孔径距离辊面在50mm时是最有利于极片轧制温度控制的，与ANSYS软件计算分析的等效应力结果一致。

3.在对于单个导热辊应力分布分析中，通过观察等效应力分布情况，可以看出，在导热辊中应力集中在截面突变的地方，也就是众多的开孔位置。斜孔道和靠近极片的轴向孔道应力较大，在两孔道交汇处则出现应力最大值。因此，在导热辊中开孔对于电池极片轧制技术有所提高，但是必须考虑到这样做会削弱辊的强度。

参考文献:

[1]孔雪琳,卢芸,叶贵超,等.纳米纤维素基多层级孔道结构碳气凝胶的制备及在锂电池中的应用[J].高等学校化学学报,2017,38(11):1 941-1 946.

[2]汪宇,张禹,童微雯,等.锂离子电池电极中多级孔道结构设计[J].化工学报,2021,72(12):6 340-6 350.

[3]陈煜,彭辉,陈丽芳,等.三维孔道结构硅/碳负极材料的制备及其电化学性能研究[J].电池工业,2018,22(1):34-38.

[4]黄可龙,王兆翔,刘素琴,锂离子电池原理与关键技术[M].北京:化学工业出版社,2008.

[5]冀承林.动力锂离子电池一致性制造工艺研究[D].天津:河北工业大学,2019.

[6]王怀民.四辊热轧机的有限元动力学分析[D].合肥:合肥工业大学,2009.

[7]王昭.电池极片轧辊的轧制机理及其仿真研究[D].天津:河北工业大学,2020.

[8]李洪波,张杰,曹建国,等.CVC热连轧机支持辊不均匀磨损及辊形改进[J].北京科技大学学报,2008(5):558-561.

[9]潘锋.四辊轧机轧辊系统有限元分析[D].上海:上海交通大学,2011.

文章来源:黄凤祥.导热辊内部孔道结构及其在锂电池极片轧制中的应用问题研究[J].湖北科技学院学报,2024,44(06):147-153.