CN102310082B - 压辊 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压辊，其包括辊芯和套辊，套辊套设固定于辊芯的外部，套辊的厚度小于辊芯的轴向半径，套辊的辊面宽度大于辊芯的宽度，套辊的两个宽度边缘分别覆盖且超过了辊芯的两个端部边缘。本发明通过在辊芯的外层设置套辊，有效释放和分散了辊芯两端部分的应力集中，从而改善了极片宽度方向的应力分布，提高了极片厚度的均匀性。同时，相对均匀的应力分布可以减少压辊端部的磨损和破坏，延长其使用时间，减少为修复辊面磨损而停工所导致的生产效率降低。

Description

压辊
技术领域
本发明涉及锂离子电池极片的碾压领域，更具体地说，本发明涉及一种能够改善极片碾压厚度均匀性的压辊。
背景技术
电池极片作为锂离子电池的重要组成部分，其微结构对于锂离子电池的性能有非常重要的影响。电池极片在经过涂布、烘干后需要经过压实工艺来改善颗粒之间的物理接触、减小封装后的锂离子电池体积，以提高电池的能量密度。
目前，锂离子电池正负极极片是采用冷压辊对来进行冷压处理的。为了提高冷压效率和减低生产成本，对冷压工艺的要求较高，一般要求电池极片经冷压工艺处理后，其厚度波动范围在微米量级，这是因为如果冷压工艺处理后电池极片的厚度波动范围较大，会造成锂离子电池结构的局部内阻过大，导致使用过程中的不均匀充放电，使得锂离子电池性能不稳定，甚至发生局部析锂等严重情况，容易诱发安全事故。
在现有的电池极片冷压工艺中，是通过对冷压辊对施加一定的压力来调整冷压辊对之间的间隙，从而控制极片冷压的压实密度。上述冷压辊对包括上下两个冷压辊，请参阅图1所示，为现有的单个冷压辊11的结构示意图，冷压辊11是通过端部的辊轴固定在机架上的。这种冷压辊11在使用过程中容易产生辊面应力分布不均匀的现象，请参阅图3中示出的沿辊面方向的极片被压区域横向应力分布情况的有限元模拟结果，可以看出冷压辊11的端部边缘12处的应力相对值上升到中心均匀区域应力相对值的7倍以上。冷压辊11产生边缘应力不均匀的主要原因有两个：1）冷压轧制力使得冷压辊11产生变形，在极片边缘冷压辊11的压扁量明显减小，辊面的轧制力相对要大于中间部分，极片两边的等效应力也大于中间部分，相应极片边部要发生明显减薄；2）边缘极片和内部极片的变形延展规律也显著不同，因为边部极片所受侧向阻力比中心区域小，在最外点，侧向阻力为零，显然，极片除了在纵向延展外，也要发生明显的横向延展，由于极片在中部的宽展均匀、一致，而在边缘出现大的变形，这将导致边缘应力相对过大。这种不均匀的应力分布使得在碾压过程中容易产生极片厚度不一致的情况，即电池极片的边缘由于受力不均匀、产生过压，导致极片边缘部分的厚度大大小于中间部分的厚度，因而使得极片边缘在分条后无法使用，产生大量边角料而使成本上升。此外，上述冷压辊11在使用一段时间后，辊面的端部边缘12处容易产生严重的磨损，因此必须停工、进行定期的修复，从而影响了生产效率。
有鉴于此，确有必要提供一种能够改善极片碾压厚度均匀性的压辊。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种能够改善极片碾压厚度均匀性的压辊。
为了实现上述目的，本发明提供了一种压辊，其包括辊芯和套辊，套辊套设固定于辊芯的外部，套辊的厚度小于辊芯的轴向半径，套辊的辊面宽度大于辊芯的宽度，套辊的两个宽度边缘分别覆盖且超过了辊芯的两个端部边缘。
作为本发明压辊的一种改进，所述套辊和辊芯采用过盈配合的方式装配。
作为本发明压辊的一种改进，所述套辊与辊芯过盈配合部分的宽度与套辊辊面宽度之比为0.3~0.9。
作为本发明压辊的一种改进，所述套辊的外径与套辊的厚度之比为5~15。
作为本发明压辊的一种改进，所述套辊和辊芯的材料为合金钢，二者采用的合金钢材料相同或者不同。
作为本发明压辊的一种改进，所述套辊和辊芯的材料均为9Cr2Mo合金钢。
作为本发明压辊的一种改进，所述套辊和辊芯分别采用热轧工艺制造，表面经过粗加工、调质处理、精加工和表面热处理而达到所需的表面粗糙度和表面硬度。
作为本发明压辊的一种改进，所述压辊为锂离子电池阳极极片或阴极极片压实工艺中所使用的压辊。
作为本发明压辊的一种改进，所述压辊适用的温度范围为室温至150摄氏度之间。
与现有技术相比，本发明通过在辊芯的外层设置套辊，有效释放和分散了辊芯两端部分的应力集中，从而改善了极片宽度方向的应力分布，提高了极片厚度的均匀性。同时，相对均匀的应力分布可以减少压辊端部的磨损和破坏，延长其使用时间，减少为修复辊面磨损而停工所导致的生产效率降低。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式，对本发明压辊及其有益技术效果进行详细说明。
图1为现有冷压辊的结构示意图。
图2为本发明压辊的结构示意图。
图3为现有冷压辊和本发明压辊沿辊面宽度方向的极片碾压应力分布的有限元模拟结果图。
图4为经现有冷压辊和本发明压辊碾压后的极片沿宽度方向的厚度分布图。
具体实施方式
请参阅图2所示，本发明压辊包括套辊21和辊芯22，其中，辊芯22的形状、结构与现有冷压辊11基本相同，套辊21采用过盈配合的方式套设于辊芯22外部并与辊芯22装配成为一个整体。套辊21的厚度远小于辊芯22的轴向半径，套辊21的辊面宽度则大于辊芯22的宽度，套辊21的两个宽度边缘分别覆盖且超过了辊芯21的两个端部边缘23。
本发明压辊的制作过程为：套辊21和辊芯22的材料为相同或不同的合金钢，分别采用热轧工艺制造，经过初加工、调质处理、表面处理达到要求的表面硬度和粗糙度。装配时，将套辊21加热至200摄氏度左右，将套辊21和辊芯22进行装配，待套辊21的温度降低至室温后，由于热胀冷缩效应，套辊21即可与辊芯22紧密接合在一起，实现套辊21与辊芯22的过盈配合。本发明压辊适用的温度范围为室温至150摄氏度之间。
下面将结合具体实施例说明本发明压辊的各参数取值。
实施例一：以生产宽度为320mm的锂离子电池阳极极片为例，采用9Cr2Mo合金钢为套辊和辊芯材料，套辊21的外层半径为240mm、壁厚为20mm、套辊辊面宽度为340mm，辊芯22的半径为220mm，辊芯22与套辊21过盈配合部分的宽度（即两个端部边缘23之间的距离）为200mm。
实施例二：以生产宽度为520mm的锂离子电池阴极极片为例，采用9Cr2Mo合金钢为套辊和辊芯材料，套辊21的外层半径为400mm、壁厚为30mm、套辊辊面的宽度为520mm，辊芯22的半径为370mm，辊芯22与套辊21过盈配合部分的宽度为300mm。
实施例三：以生产宽度为500mm的锂离子电池阴极极片为例，套辊21的外层半径为400mm、壁厚40mm，套辊外径与厚度之比为10。
实施例四：以生产宽度为450mm的锂离子电池阳极极片为例，套辊21的辊面宽度为500mm，辊芯22与套辊21过盈配合部分的宽度为400mm，过盈配合部分的宽度与套辊辊面宽度之比为0.8。
实施例五：以生产宽度为450mm的锂离子电池阳极极片为例，套辊21的辊面宽度为500mm，辊芯22与套辊21过盈配合部分的宽度为450mm，过盈配合部分的宽度与套辊辊面宽度之比为0.9；套辊21的外层半径400mm、厚度为40mm，套辊外径与套辊厚度之比为10，碾压时将压辊加热至100摄氏度。
为了验证本发明压辊的有益效果，对现有冷压辊和本发明压辊的碾压应力分布及经其碾压的极片厚度分别进行了分析，以下对实验结果进行说明。
请参阅图3所示，显示了现有冷压辊和本发明压辊在碾压过程中、沿着极片宽度方向的应力相对值分布的有限元模拟结果。可见，对于相同宽度的极片，本发明压辊碾压后的边缘应力相对值为800，仅为中间应力均匀区（应力相对值为200）的4倍，远小于现有冷压辊碾压后的边缘应力相对值1400。
请参阅图4所示，显示了同一宽度的电池阴极极片在经过现有冷压辊和本发明压辊碾压后的实际极片厚度对比结果。可见，经现有冷压辊碾压后，极片边缘厚度不均匀区的宽度约为80mm，而本发明压辊能够将碾压过程中边缘的应力集中大幅度地释放，碾压后的极片边缘厚度不均匀区宽度仅为约15mm，明显改善了极片碾压厚度的均匀性。
上述极片宽度方向上的碾压厚度均匀性的提高是通过采用模块化的压辊结构设计而实现的。本发明通过将压辊的结构和功能进行模块化分割处理，使得压辊的碾压功能脱离了压辊机械结构的限制和束缚，改善了压辊的应力均匀性，尤其是压辊端部应力的一致性，提高了极片的厚度均匀性，同时有助于降低成本、提高锂离子电池生产的效率和产能，因此大大拓展了压辊的应用范围，有利于拓展和改善压辊的碾压功能。
本发明可以广泛应用于锂离子电池极片的碾压，但是不限于锂离子电池极片的碾压工艺，对于熟知本领域的技术人员而言，本发明同样适用于需要对材料或者粉末进行冷压或热压加工处理的生产行业和技术领域。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (7)

1.一种压辊，包括辊芯和套辊，套辊套设固定于辊芯的外部，套辊的厚度小于辊芯的轴向半径，其特征在于：套辊的辊面宽度大于辊芯的宽度，套辊的两个宽度边缘分别覆盖且超过了辊芯的两个端部边缘；所述套辊和辊芯采用过盈配合的方式装配，套辊与辊芯过盈配合部分的宽度与套辊辊面宽度之比为0.3～0.9。
2.根据权利要求1所述的压辊，其特征在于：所述套辊的外径与套辊的厚度之比为5～15。
3.根据权利要求1所述的压辊，其特征在于：所述套辊和辊芯的材料都为合金钢，二者采用的合金钢材料相同或者不同。
4.根据权利要求3所述的压辊，其特征在于：所述套辊和辊芯的材料均为9Cr2Mo合金钢。
5.根据权利要求1所述的压辊，其特征在于：所述套辊和辊芯分别采用热轧工艺制造，表面经过粗加工、调质处理、精加工和表面热处理而达到所需的表面粗糙度和表面硬度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的压辊，其特征在于：所述压辊为锂离子电池阳极极片或阴极极片压实工艺中所使用的压辊。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的压辊，其特征在于：所述压辊适用的温度范围为室温至150摄氏度之间。
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