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）

當前鋰電池生產過程中的輥壓工序使用的設備均為輥壓機，通過輥壓機的輥壓作業，將基材上涂布的松散活性物質壓實得到指定厚度的輥壓后極片。輥壓后的極片厚度一致性對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，與輥壓機的軋輥撓度變形直接相關。本文從減小輥壓機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、輥系結構和輥型設計等解決方法。

1 軋輥撓度變形機理

鋰電輥壓機是由傳統的鋼板軋制輥壓機借鑒和參考而設計的，一般為雙輥結構，常見的機型上輥為固定輥，下輥為活動輥，主液壓缸位于下輥軸承座底部，升壓頂起下輥，進行極片輥壓作業。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，極片被壓實的同時軋輥表面和輥身同時產生撓度變形。

圖1 軋輥工作示意圖

輥壓時極片位于軋輥中部，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寬度，mm；b 為極片的橫向寬度，mm；

改善輥壓極片的橫向厚度一致性，即需要減小輥壓機的軋輥撓度變形，可以通過改變軋輥材質或表面處理技術，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行撓度值補償；也可以采用凸度軋輥的輥型設計，改變軋輥輥面直徑D 的橫向分布，補償軋輥輥面撓度變形差異；還可以通過熱壓技術，減小輥壓需要的軋制力P。

2 軋輥材質

在2010 年前輥壓機軋輥材質一般采用9Cr2Mo，隨著軋輥鍛造材料的改進和軋輥品質要求提高，2015 年后逐漸被9Cr3Mo 取代。目前鋼板冷軋行業已經大量使用9Cr5Mo1V 的輥坯，且作為“工作輥”的推薦選擇材質。

根據表2 的化學成分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，能提高材料的強度和硬度，增加材料的耐磨性和淬透性（經淬火回火后具有較好的綜合力學性能）和機械性能，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度和抗壓強度，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行業還未大量使用。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，后續軋輥的輥坯材質必將逐漸被9Cr5Mo1V 取代。

表2 化學成分

3 軋輥預彎控制輥型

通過增加反向預彎力，產生反向彎矩撓度變形，可以減小輥壓作業時軋輥的彎矩撓度變形。圖2 為采用無彎缸、消隙彎缸和獨立彎缸的不同輥系結構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常見的輥壓機軋輥長徑比＜1.0 時，因彎缸力力臂短，彎缸施加的反方向撓度變形量較小，采用無彎缸設計；軋輥長徑比≈1.0 時，采用消隙彎缸或獨立彎缸的輥系機構均有；軋輥長徑比＞1.0 時，普遍采用獨立彎缸的輥系機構。

表3 輥壓機彎缸型式

消隙彎缸結構：在上下軋輥端部兩側各增加1 組液壓缸，產生反向的作用彎矩，同時矯正上輥&下軋輥撓度變形。但消隙彎缸的設計彎缸力不足且同時作用于上輥&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。

獨立彎缸結構：在上下軋輥端部兩側各增加2 組液壓缸，產生反向的作用彎矩，單獨矯正上輥/下輥的一側軋輥撓度變形。獨立的彎缸可以根據上下輥的作用方式不同，采用上輥大彎缸力，下輥小彎缸力，可減小彎缸力對主缸壓力的抵消而導致軋制力達不到工況需求。而且各個彎缸獨立設置彎缸力，可適應傳動側與操作側的結構差異。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，且單機產能需求增大，需要更寬輥面的輥壓機，因此軋輥的彎矩和剪力產生的撓度變形量更大。所以未來輥壓機的輥系結構將大量采用獨立彎缸和大彎缸力設計。

4 軋輥凸度處理

因極片輥壓過程中的剪力撓度變形，使整幅極片輥壓機時軋輥撓度變形為全輥面的內凹撓度變形，測量輥壓后極片在兩側邊沿約30mm 寬度位置明顯厚度偏薄。

圖3取8070 輥壓機的軋輥工況為樣品，已知極片寬度b，預彎力，主缸壓力P，軋輥材質和自重g，通過ABAQUS 仿真軟件進行仿真模擬軋輥的輥面撓度變形。極片寬度500mm 時，極片邊沿與中心的撓度變形差異～24.13um。因實際生產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逐漸減小的對稱結構，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，實際輥壓極片后的測量橫向厚度極差改善～0.4um。

圖3 軋輥變形仿真示意圖與極片輥壓效果

圖4 凸度軋輥的極片輥壓效果

采用凸度軋輥的輥型設計，通過改變上輥撓度變形補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，凸度軋輥會無法適應不同膜區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中，且需要根據輥壓工況和極片寬度進行設計。

5 其他解決方法

5.1 耐磨輥技術

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，同時隨著鋰電池的極片壓實密度提高，輥壓機的需要的軋制壓力P 也越來越大，導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。目前國內大多數鋰電池生產廠商均配置碳化鎢的耐磨輥。

5.2 熱壓技術

針對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、表面處理或修磨輥型，已經無法有效降低輥壓時的軋輥撓度變形。此時可以通過提高輥壓時的極片溫度，降低極片活性材料的壓應力，從而可用較小的軋制力P 進行輥壓作業。一般熱壓技術的工作流程：將加熱后的導熱油導入軋輥內部循環，使軋輥加熱至工藝溫度，并對預熱后的極片進行輥壓作業。因熱壓軋輥結構復雜、制造成本高，且安全風險較高，目前只有特殊工藝的極片生產時配置熱壓輥壓機，并未大范圍使用。

6 結語

當前鋰電池產業多元化和細分化發展，極片配方出現了鋰鈷、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立彎缸結構的輥壓機，配置表面鍍碳化鎢涂層的高品質軋輥，再根據不同的極片決定采用平輥或凸度軋輥進行輥壓作業。運用以上多種方法組合的方式，減小輥壓機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。