鋰離子電池切分機構(gòu)仿真與試驗研究

田萬智，楊金堂，金 磊

（1.武漢科技大學冶金裝備及其控制教育部重點實驗室，湖北 武漢 430081；2.武漢科技大學機械傳動與制造工程湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430081）

1 引言

隨著電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代越發(fā)頻繁，廢棄的鋰離子電池數(shù)量在近幾年呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，預計到2020 年，廢舊鋰離子電池將累計產(chǎn)生250 億只[1]。目前，對于廢鋰離子電池回收工藝前處理的研究方向主要沿著機械分離法[2]開展，即通過物理方法將電芯與其他材料分離。以往的機械分離法在預處理階段多采用整體破碎的方式，例如文獻[3]采用的粉碎篩分的機械分離法，但是整體破碎混合的方式增加了后續(xù)萃取分離的工時和成本。為了提高回收的效率，機械分離方式的研究開始向著先將電芯和電池其他材料進行分離，再將同類材料混合的“先分后混”工藝發(fā)展，例如文獻[4]采用人工拆解將外殼和電芯分離，但人工拆解效率低，面對即將到來的鋰離子電池回收高峰期，自動化拆解工藝的研究顯得尤為重要[5]。

借鑒金屬切削加工仿真原理，利用非線性有限元分析軟件Abaqus 實現(xiàn)對鋰離子電池的塊狀切分仿真。文獻[6]通過建立二維正交切削模型對切削過程進行仿真，并驗證了數(shù)值模擬的合理性。文獻[7]仿真分析了不同刃口下的切屑形成過程并進行了二維仿真分析和實驗研究，但鋰離子電池切分情況復雜，需要進行三維模型分析。在切分仿真中，為了能反映材料加工仿真的真實性，需要選用能夠描述材料屈服強度、力學性能的本構(gòu)模型[8]。文獻[9]等采用不同型號鋁合金的J-C 本構(gòu)模型進行了數(shù)值仿真分析并獲得了符合實際的仿真結(jié)果。但以上研究中均是簡單的均質(zhì)材料，不適用于鋰離子電池的切分仿真。

綜上所述，研究設(shè)計了一款鋰離子電池切分機構(gòu)，并針對鋰離子電池PACK 工藝提出了一種等效替代理論，利用修正后的簡單均質(zhì)材料模型替代復雜裝配下的鋰離子電池模型。通過對均質(zhì)材料切分力理論計算和仿真分析的比較，確定了仿真替代實際的分析方法，并應用于非均質(zhì)鋰離子電池切分力的仿真分析中。然后通過切分力試驗結(jié)果逆推導滿足替代要求的修正后的簡單均質(zhì)材料本構(gòu)模型方程。具體研究流程，如圖1 所示。

圖1 等效替代理論研究流程圖Fig.1 Research Flow Chart of Equivalent Substitution Theory

2 切分機構(gòu)設(shè)計

切分機構(gòu)設(shè)計的最終目標是實現(xiàn)鋰離子電池切分過程的自動化，試驗初期以手動代替自動的形式對切分效果進行研究，所設(shè)計的鋰離子電池切分機構(gòu)，如圖2 所示。整體框架利用鋁型材搭建，夾具固定在移動底座上，鋰離子電池通過夾具固定，刀具系統(tǒng)對稱布置在可以實現(xiàn)變距的平臺上，根據(jù)電池長度方向的數(shù)值調(diào)整刀具距離，最后通過液壓缸推動底座運動，完成鋰離子電池長度方向兩端的切分。

圖2 切分機構(gòu)設(shè)計圖Fig.2 Design Drawing of Dividing Mechanism

3 理論與仿真切分力研究

3.1 鋰離子電池等效替代理論

從鋰離子電池的力學結(jié)構(gòu)和切分過程中需要接觸的物理結(jié)構(gòu)分析，主要由外包裝塑料紙、塑料外框架、鋁制外殼和正負極片卷繞成的電芯組成，而且在初期生產(chǎn)過程中，各部分的裝配也未考慮到后期回收的問題，所以一塊完整的鋰離子電池可視作一種復雜裝配下的復合材料，增加了理論計算和有限元仿真分析的難度。

針對鋰離子電池切分這一過程，提出了利用等效替代法，將復雜裝配下的復合材料替代成適應切分分析的簡單均質(zhì)材料進行理論、仿真分析的鋰離子電池等效替代理論。

3.2 切分力的理論計算

從收集的廢舊手機電池中，選擇5 塊外形尺寸基本一致且大小中等的鋰離子電池，通過圓整外形，取長*寬*厚=50*40*8mm，作為電池分析建模的外形尺寸。

文獻[10]對均質(zhì)、矩形截面材料在不同斜刃角度的刀具下的剪切力計算公式進行了推導，并結(jié)合實驗驗證了沿剪切方向剪切力的實驗值與理論計算值規(guī)律大小一致，修正后的計算公式如下：

斜刃完成均質(zhì)材料剪切的示意圖，如圖3 所示。按照實際剪切情況，其中B=8mm，t=40mm，刀具斜刃角度α=30°，將數(shù)據(jù)代入判斷式（1）得到：

圖3 斜刃剪切材料示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Oblique Blade Shear Material

考慮到鋰離子電池中材料占比最多的是電芯中的鋁箔和銅箔，初步選取1050A 鋁材作為初始的均質(zhì)替代材料，已知1050A的材料屬性，如表1 所示。則代入數(shù)據(jù)計算得到理論切分力F1為：

表1 1050A 的材料屬性參數(shù)Tab.1 Material Property Parameters of 1050A

3.3 切分力的數(shù)值模擬計算

將鋰離子電池等效替代后的均質(zhì)金屬材料的切分過程屬于金屬加工，材料的數(shù)學模型是金屬加工模擬技術(shù)中的基本要素，對金屬加工模擬的結(jié)果有較大的影響。刀具切分電池時，材料不再是簡單的線彈性關(guān)系，而是發(fā)生了非線性的彈塑性大變形的動態(tài)過程，因此選擇了具有強大的非線性處理能力的Abaqus 軟件中的Explicit 模塊對切分過程進行非線性顯示動力學仿真分析。

目前，對金屬加工過程模擬的材料模型的本構(gòu)關(guān)系的研究還不成熟，加工模擬的材料模型種類也很多，但每種材料模型都有其局限性，這里采用熱彈塑性領(lǐng)域研究中應用最廣泛的J-C 本構(gòu)模型，其方程式如式（2）：

式中：σ—等效應力；

A—參考應變率和參考溫度下的初始屈服應力；

B—材料應變硬化模量；

n—材料的硬化指數(shù)；

C—材料應變率強化參數(shù)；

m—材料熱軟化指數(shù)。

J-C 本構(gòu)模型反映了材料在大應變、高溫及大應變率條件下的非線性行為，能夠很好的模擬金屬在一定應變、應變率及溫度下的材料行為，鋰離子電池切分試驗中溫度變化較小，所以不考慮溫度對材料屬性的影響，因此應用的實際J-C 本構(gòu)模型公式如式（3）所示。

由泰勒沖擊實驗和準靜態(tài)拉伸實驗測得1050A 的J-C 本構(gòu)模型參數(shù)，如表2 所示。

表2 1050A 的J-C 本構(gòu)模型參數(shù)Tab.2 J-C Constitutive Model Parameters of 1050A

將切分機構(gòu)根據(jù)1：1 的比例簡化成為刀具和電池的相互關(guān)系，并在Abaqus 軟件中進行建模，設(shè)置刀具為剛體，并分別設(shè)置參考點RP-1、RP-2 在對稱布置的刀具尾端，選擇電池的材料模型為J-C 強化模型，具體參數(shù)，如表2 所示。切屑分離選擇Shear Failure，Element Deletion=Yes 來設(shè)定剪切破壞準則，依次設(shè)置接觸、約束、位移加載和分析步（step time=0.0015s），為得到更準確的數(shù)據(jù)并降低計算量，還對電池模型中被切分部分進行了網(wǎng)格細化，如圖4 所示。最終求解得到兩個參考點沿切分方向的力的曲線圖，如圖5 所示。其中，力的最大值，即模擬切分力F2為23966.10N。根據(jù)相對變化率公式計算理論切分力和模擬切分力的相對變化率η1：

圖4 分析參考點及網(wǎng)格示意圖Fig.4 Analyze Reference Points and Grid Diagram

圖5 兩個參考點沿切分方向的力的曲線圖Fig.5 Graph of the Force of Two Reference Points Along the Direction of Shear

實際工程應用中，在其他條件不變的情況下，通常認為，用不同方式計算得到力的數(shù)值大小的相對變化率η 在1%以內(nèi)是相符合的。根據(jù)η1＜1%，認為在材料屬性和尺寸相同的情況下，模擬切分力和理論切分力是相符合的，即證明了切分模型的等效替代是可行的。

4 切分機構(gòu)試驗研究

4.1 切分力測量試驗

試驗采用的液壓缸型號為MOB40×200LB，缸徑d=40mm，液壓系統(tǒng)由YZ-01 型基本液壓傳動試驗臺提供，如圖6 所示。

圖6 試驗全景圖Fig.6 A Panoramic View of Test

試驗通過一個手動式三位四通閥進行液壓缸活塞桿的伸縮控制，并在進口處安裝油壓表便于觀察、調(diào)整進口油壓，從而調(diào)整并記錄液壓缸的推力大小。已知液壓缸所提供的理論推力計算公式如式（4）所示；

式中：F推力—液壓缸可以輸出的推力大小（N）；r—液壓缸內(nèi)缸半徑（mm）；P—系統(tǒng)進口油壓（MPa）。

表3 切分試驗記錄Tab.3 Sectional Test Records

試驗中采用的樣本為建模取樣的5 塊電池中任意選取的3塊，并依次命名為1 號、2 號和3 號電池。根據(jù)切分情況，以0.4MPa或0.5MPa 為遞增壓力進行調(diào)整，并依次記錄試驗對象、次數(shù)、油壓、理論推力及鋰離子電池的切分情況，如表3 所示。液壓缸推力大小即切分力大小，根據(jù)試驗結(jié)果，完成對所選型號鋰離子電池切分的切分力大小為2513.27N，由于切分機構(gòu)中有兩套對稱布置的刀具系統(tǒng)，所以單個刀具受力大小F0理論上是1256.64N。

4.2 切分機構(gòu)可行性試驗分析

鋰離子電池切分是鋰離子電池拆解工藝中的一個重要環(huán)節(jié)，鋰離子電池拆解工藝的目的是實現(xiàn)“先分后混”，切分之后還需要進行取芯等工藝的設(shè)計研究，所以需要保證切分后的電池，除切除部分外，基本無大變形。所以設(shè)計的切分機構(gòu)是否可行，還需要通過觀察切分后的鋰離子電池切口是否平整、基體是否有變形以及排屑是否順暢來驗證切分機構(gòu)設(shè)計的可行性。試驗的鋰離子電池樣本經(jīng)過切分機構(gòu)完成切分后的電池情況，如圖7 所示。通過觀察可以看到，三塊電池的切口均十分平整，仔細觀察發(fā)現(xiàn)在最后切斷部分，由于鋁材具有良好的延展性，產(chǎn)生了小部分的撕扯斷裂情況；電池基體由于對切分機構(gòu)中的夾具進行了優(yōu)化和改良，可以發(fā)現(xiàn)除切除部分外，切分前后基本一致；切屑由于包含了不同裝配條件下的幾種材料，所以會有些許分離，但整體基本保持完整。這說明設(shè)計的切分機構(gòu)不僅可以完成鋰離子電池的切分，而且還滿足了后續(xù)取芯等工藝的外形要求，因此，切分機構(gòu)是可行的。

圖7 樣本電池的切分情況Fig.7 Sample Cell Cutting

5 試驗與仿真聯(lián)合研究

5.1 逆推導替代模型參數(shù)

前面已經(jīng)驗證了在有限元分析中，分析計算切分等效替代的均質(zhì)模型的模擬切分力和理論計算的切分力是在一定變化范圍內(nèi)吻合的。雖然說明了等效替代法在切分的數(shù)值模擬研究中的可行性，但對于替代材料的本構(gòu)模型參數(shù)，還需要根據(jù)試驗測得的實際切分力作逆推導，反推替代材料模型的適用參數(shù)。例如，已知試驗測得的切分力F0=1256.64N，通過調(diào)整采用的J-C 本構(gòu)模型中的部分參數(shù)，使有限元仿真的模擬切分力大小與之在一定的變化范圍內(nèi)相等，即可認為該材料參數(shù)是符合鋰離子電池模型在等效替代下的切分仿真分析的。

采用的J-C 本構(gòu)模型方程中，等效應力σ 是最終影響切分力大小的重要因素，在前期分析的過程中發(fā)現(xiàn)，A、B、C值對σ 影響較大，調(diào)整其中任意值都會對切分力峰值產(chǎn)生影響，以及在Abaqus 求解過程中，分析步step time 的值也極為重要，它不僅對切分力峰值產(chǎn)生影響，而且還決定了求解時長，是提高求解效率的關(guān)鍵因素。在實驗測得1050A 的J-C 本構(gòu)模型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對各參數(shù)交互采樣仿真實驗，選取其中具有代表性的8 組樣本點進行說明，并選取兩個參考點中的最大值作為切分力F3，具體數(shù)值，如表4 所示。

表4 試驗對照表Tab.4 Test Comparison Table

從表中可以發(fā)現(xiàn)，A、B的值相對于經(jīng)過實驗測得1050A 的A、B值有較大的變化，因為鋰離子電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是存在空隙的，而且各部分的材料屬性不一樣，在驗證等效替代法可行性的基礎(chǔ)上隨機選取1050A 鋁材作為替代后的均質(zhì)材料屬性，理論計算和模擬分析的切分力也是明顯大于試驗所得的切分力，所以這是符合實際的；對比1、2、3 組的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，C 值在變大和變小的情況下，切分力大小均有不同程度的增加，這說明C 值對切分力的影響不是單調(diào)不變的；對比1、4、7 組和5、6 組的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)step time的大小對切分力大小有較大的影響，且隨著step time 值的增加而降低；對比5、7 組和7、8 組數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)切分力大小隨著A、B 值的降低而顯著降低。由于Step Time 值的增加會增加仿真計算的時間，分析仿真試驗中各組實際時長，為了提高計算效率，同時得到較為準確的仿真數(shù)據(jù)，取分析步Step Time 時間為0.0015s。綜合Step Time 取值和試驗表中各組切分力F3的數(shù)值大小發(fā)現(xiàn)，第8組樣本參數(shù)仿真分析得到的切分力大小十分接近試驗得到的實際切分力大小F0=1256.64N，其切分力變化，如圖8 所示。

圖8 第8 組樣本點切分力曲線圖Fig.8 The Cutting Force Curve of the Sample Points in Group 8

同理利用相對變化率公式計算仿真切分力F3相對于實際切分力F0的變化率η2：

結(jié)合工程經(jīng)驗，當η2＜1%時可以認為切分力在有效范圍內(nèi)波動，即當分析步Step Time 時間為0.0015s 時第8 組樣本點的參數(shù)可以等效替代鋰離子電池的J-C 本構(gòu)模型參數(shù)。

5.2 實驗逆推的仿真切分效果

根據(jù)以上研究結(jié)果，沿用符合真實試驗情況的第8 組的分析數(shù)據(jù)，截取切分過程的部分時段，其整體切分效果，如圖9 所示。隱去刀具后的切分效果，如圖10 所示。左圖是截取剛剛切入鋰離子電池模型中部分放大的變形云圖，從圖中可以看到，材料在刀具切入過程中發(fā)生塑性變形，在達到斷裂水平后發(fā)生斷裂，形成切口，是符合實際切分情況的；右圖是切斷的最后階段，由于鋁材的延展性而出現(xiàn)的扯斷現(xiàn)象，符合試驗中出現(xiàn)的小部分尾端撕扯斷裂的結(jié)果。綜上所述，通過試驗結(jié)果逆推導的材料J-C 本構(gòu)模型進行仿真分析，結(jié)果與實際試驗結(jié)果基本一致，即仿真分析可以代替試驗研究、減少試驗成本。

圖9 整體切分效果圖Fig.9 Overall Cutting Renderings

圖10 切入和切斷局部效果圖Fig.10 Cut and Cut the Local Renderings

6 結(jié)論

通過理論、仿真以及試驗聯(lián)合分析研究的方法，得到了如下結(jié)論：（1）驗證了針對鋰離子電池回收預處理工藝而設(shè)計的切分機構(gòu)的可行性，實現(xiàn)鋰離子電池兩端的切除分離為后續(xù)拆解工藝中的取芯環(huán)節(jié)提供了樣本支撐和理論基礎(chǔ)。（2）驗證了在鋰離子電池切分仿真中，利用簡單均質(zhì)材料等效替代復雜裝配下的復合材料的可行性，同時得到了適合鋰離子電池切分仿真研究的J-C本構(gòu)模型在內(nèi)的修正后的參數(shù)方程，可以為今后的研究提供理論支撐，減少試驗次數(shù)和成本，提高研發(fā)效率。