锂电池合芯关键技术研究

周俊雄 陈腾飞 熊雪飞 徐益宏

（广东利元亨智能装备股份有限公司，惠州 516057）

合芯是锂电池组装过程中的一项重要工艺，主要涉及两个极组。合芯前，一般先用超声焊接机将两个极组的极耳预焊接，然后利用超声焊接机将极耳、保护片与连接片等焊接到一起，再将连接片和顶盖用激光焊接机焊接[1-2]，最后进行旋转合芯和贴胶作业，如图1所示。

图1 合芯过程示意图

该工艺过程的一大难题是极耳存在较大的撕裂风险，对极耳的姿态控制要求极高。多达几十层的极耳焊接后须进行旋转合芯[3-4]。因此，极耳的长度应尽可能短，一旦工艺参数控制不当，容易受到很大的拉扯力，产生较大的局部应力，存在极大的断裂风险。极耳的应力状态无法快速检测，只有在下游生产过程中出现问题时才有可能暴露出来。极耳的应力问题甚至可能潜藏至交付终端客户后，影响极其恶劣。

锂电池业内通常的做法是设计巧妙的机械结构，提升合芯过程极耳姿态的控制能力[5-6]。这种情况往往也需要搭建实物验证平台，进行合芯的参数验证。但是，如何确定合芯位姿、速度等工艺参数鲜见相关研究，一般依赖于现场冗长的实验。由于没有理论指导，往往需要尝试多种多样的参数组合才有可能取得较好的结果。实验法存在的显著问题是周期长、成本高以及可继承性不高，一旦电池结构参数或工艺要求发生变化，往往需要从头开始，极大地拉长了项目周期。另外，实验法的合芯效果更多是外观层面，难以对极耳的应力应变进行量化分析并深挖工艺机理，不利于工艺水平的提升。

针对合芯过程中极耳姿态控制问题，拟以有限元仿真为手段，准确模拟极耳姿态并输出合芯后极耳的应力云图，为优化合芯工艺参数提供一种快速简便、可视及准确性高的研究方法。

1 有限元中的显式动力学求解

有限元法本质上是一种微分方程的数值求解方法，其随着电子计算机的进步迅速发展起来，从最初的固体力学领域逐步拓展到流体力学、传热学、电磁学和声学等领域。不管问题所属哪个领域和复杂程度如何，有限元法的思路和分析过程基本相同，即可分为3D建模、网格化、施加载荷与边界、求解和后处理5个步骤。不同类型的有限元仿真所求解的微分方程并不相同。以最常见的静力学仿真为例，仿真过程本质上应用的是广义胡克定律。对于动力学仿真，将模型进行离散化后得到如下常微分方程组

˙˙ ˙

M uC uK uF（1）

式中：[M]为质量矩阵；[u]为位移矩阵；[C]为阻尼矩阵；[K]为刚度矩阵；[F]为载荷矩阵。求解该方程的方法主要有Newmark法和中心差分法两种。前者求解为隐式动力学算法，后者求解则被称为显式动力学算法。动力学仿真中，t0,t1,t2,…,tn时刻的节点位移、速度和加速度已知，欲求解tn(t+Δt)时刻的结构响应。采用中心差分法求解时，加速度和速度的导数均采用中心差分代替，即

将式（3）代入式（2），整理可得

其中，有

式（5）和式（6）分别称为有效质量矩阵和有效载荷质量。求解式（4），即可获得t+Δt时刻的节点位移矩阵ut+Δt。将其代回几何与物理方程，可得t+Δt时刻的节点应力和应变。中心差分法只需根据t+Δt时刻以前的状态变量即可求出ut+Δt，因此称为显式算法。而采用Newmark法计算需要用到当前时刻的Ft+Δt，因此称为隐式算法。显式算法必须确保用上个计算步和上上个计算步得到的加速度和速度信息与采用中心差分法计算当前步的加速度近似相等，即加速度在一个计算步中的变化不能太大。若计算步的时长太大，则显式求解的结果将逐渐远离精确解，失去稳定性。显式求解的时间增量步的设置尤为重要。稳定时间增量步，与系统的最大自然频率有关。显式求解的时间增量步Δt需满足条件

式中：L为单元特征长度，一般取网格里最小的单元尺寸；E为材料的弹性模量；ρ为材料密度。与隐式算法相比，显式算法无须迭代，控制好时间增量步即可保证具有较好的稳定性。显式算法的时间增量步往往较隐式算法更小，在碰撞、成形等复杂仿真场合得到了越来越多的应用[7]。合芯过程涉及极耳的大变形，采用显式求解，能更精确地模拟合芯过程的极耳姿态。

2 合芯过程极耳姿态的有限元仿真

压合动作直接影响各层极耳的姿态，为精确模拟合芯后极耳的受力状态，必须先精确模拟压合后、合芯前极耳的受力情况。压合过程的动作如图2所示。

图2 压合动作模拟

将51层极耳按实体建模，建立压合板U1和支撑板U2的模型，然后按照不同工艺参数进行模拟，得到压合后极耳的状态。合芯动作以压合动作的结果作为输入。仿真模型中，将焊接区域的节点固定，采用几何方法确定旋转中心后，为极耳根部节点施加旋转速度载荷模拟合芯过程，如图3所示。

图3 合芯动作模拟

压合和合芯的仿真模型均按照实体1∶1建模。压合模型中仅保留压合板、支撑板和极耳，忽略电池本体。这主要是为了减少网格数量，且压合过程极耳更容易发生变形，相较之下，极组本体的变形可以忽略。为进一步提高计算效率，极耳采用壳单元建模，因为极耳厚度处处相同，契合壳单元的使用场景。合芯模型中，沿用压合模型的仿真结果，同样忽略极组本体。极耳同样采用壳单元建模。网格尺寸按照式（7）的要求进行配置，确保计算精度，同时尽量减小网格尺寸。

设置极耳材料为铜，各层极耳之间设置接触，设置压合板和支撑板的位移边界。压合板和支撑板的横向偏移为3 mm，压合过程的仿真结果如图4所示。应变最大的位置在压合平面附近，是断裂风险较高的区域，其残余应力也较为集中，与现场经验相符。

图4 压合仿真结果

在此基础上，将焊接区域的节点全部固定，保持极耳根部节点相对位置不变，并设置旋转弧度边界，仿真结果如图5所示。靠右侧的极耳会出现下凸，下凸起始位置附近应变最大且有应力集中，容易发生断裂。

图5 合芯仿真结果

为优化工艺，研究不同偏置下极耳的应力姿态。除了偏置为3 mm的工况，对偏置为5 mm和7 mm的工况进行仿真，对比结果如表1所示。铜的抗拉极限为286 MPa，可认为所有工况均不会产生极耳断裂。3种工况对比，偏置为5 mm时的应力应变较小，结果更均衡，是理想的合芯参数组合。

表1 不同偏置工况的仿真结果对比

3 结语

采用显式动力学求解方法，将工艺过程分为压合、焊接和旋转合芯3个分析步骤，并以压合结果作为合芯的输入，模拟合芯前各层极耳的状态，随后确定合芯的旋转中心，巧妙施加载荷和边界条件。仿真结果可精确展示多层极耳的应力应变状态，指导评估极耳不同位置的断裂风险，并对比不同偏置工况的极耳状态，以确定最优的合芯工艺参数。该方法能够为合芯工艺提供可视化和数值化的参考，具有重要的实用价值。