一(yī)，引(yǐn)言
在鋰(lǐ)離(lí)子電(diàn)池製造過程中，電極(jí)材料(liào)的壓實密度是影響(xiǎng)電(diàn)池能量密(mì)度，循環(huán)壽命(mìng)和安(ān)全性能的重要(yào)參數。正負極漿料塗(tú)布幹(gān)燥(zào)後需經過(guò)輥(gǔn)壓(yā)工序，通過(guò)軋輥施加數十至數百兆(zhào)帕的壓(yā)力，使活性物質(zhì)顆(kē)粒(lì)緊密(mì)排列(liè)，從(cóng)而(ér)形成具有合適密度(dù)和強度的(dí)電極(jí)片。壓(yā)實(shí)密(mì)度測(cè)試儀(yí)正是(shì)用於(yú)評(píng)估(gū)粉末(mò)材料在受控壓(yā)力條(tiáo)件(jiàn)下(xià)壓縮(suō)行為的關鍵檢測(cè)設(shè)備(bèi)。
電(diàn)池粉(fěn)末(mò)壓實(shí)密度試驗儀(yí)是電(diàn)子測(cè)控技術(shù)與(yǔ)機(jī)械(xiè)傳動相(xiāng)結合(hé)的(dí)專(zhuān)用(yòng)材(cái)料試(shì)驗(yàn)機，具有(yǒu)較大(dà)的有(yǒu)效測力範圍和可(kě)靠(kào)的加(jiā)載速度，對載荷，位移的(dí)測(cè)量(liáng)和(hé)控製具(jù)有較高(gāo)的精(jīng)度和(hé)重(zhòng)復性(xìng)，可實(shí)現(xiàn)力控(kòng)，位(wèi)移控(kòng)等多(duō)種(zhǒng)加(jiā)載方(fāng)式，主(zhǔ)要用(yòng)於測試電池正負(fù)極粉末材料(liào)的壓實密(mì)度。本文(wén)將從工(gōng)作原理，設備(bèi)特(tè)點，關鍵技術參數，典型(xíng)應(yīng)用與(yǔ)選型要(yào)點(diǎn)等方(fāng)麵，對該設(shè)備(bèi)進行係(xì)統(tǒng)闡述。
二，工作原理(lǐ)
電池粉(fěn)末壓實密度試驗(yàn)儀的核心工作基於對粉(fěn)體材(cái)料在(zài)外(wài)力壓(yā)縮(suō)過程(chéng)中的(dí)物(wù)理(lǐ)行(háng)為(wéi)分析。在壓(yā)縮(suō)過程中，隨(suí)著粉末(mò)的(dí)移動(dòng)和變形(xíng)，較大的空隙(xì)被填充(chōng)，顆(kē)粒間接觸麵(miàn)積增(zēng)大，使(shǐ)原(yuán)子(zǐ)間(jiān)產生(shēng)吸引力(lì)且(qiě)顆(kē)粒(lì)間(jiān)的機械楔(xiē)合(hé)作(zuò)用(yòng)增(zēng)強，從而(ér)形成(chéng)具有一(yī)定(dìng)密度(dù)和(hé)強(qiáng)度的壓(yā)坯(pī)。測試時，操作(zuò)人(rén)員(yuán)將(jiāng)待測粉末樣品裝入(rù)專(zhuān)用(yòng)模具中(zhōng)，置(zhì)於試驗(yàn)機下(xià)壓盤中(zhōng)心(xīn)位(wèi)置，設定目(mù)標壓力(lì)或壓強值後啟(qǐ)動試驗，軟(ruǎn)件自(zì)動控製加載過程，並在(zài)達到設定(dìng)載(zǎi)荷(hé)後(hòu)測(cè)量(liáng)粉(fěn)末(mò)被(bèi)壓(yā)縮(suō)後的高(gāo)度或(huò)厚(hòu)度，結(jié)合樣(yàng)品質量(liáng)，按照公式(shì)自(zì)動計算出(chū)壓(yā)實密(mì)度。壓實密(mì)度(dù)=麵(miàn)密度/材料(liào)的(dí)厚度，在鋰離子(zǐ)電池(chí)設(shè)計過(guò)程(chéng)中(zhōng)，壓(yā)實密度(dù)=麵密度(dù)/（極(jí)片碾壓(yā)後的(dí)厚度—集(jí)流體厚度(dù)），單位是(shì)g/cm³。
為精(jīng)確(què)模擬電池極片的(dí)實(shí)際輥壓工(gōng)藝(yì)，高(gāo)精(jīng)度測(cè)試儀(yí)配備了剛(gāng)性的(dí)專用壓(yā)縮(suō)模具(jù)，能夠將上壓頭(tóu)施加的(dí)載荷(hé)均匀(yún)傳遞至(zhì)模具內的粉(fěn)末樣品(pǐn)，保(bǎo)證壓力分布的一致(zhì)性(xìng)。加(jiā)載完成(chéng)後，設(shè)備利用高精度位(wèi)移傳(chuán)感(gǎn)器(qì)測量粉末柱在卸載(zǎi)過程(chéng)中的彈性(xìng)恢復(fù)量(liáng)，從而精確(què)計(jì)算出(chū)粉末(mò)在受(shòu)力狀(zhuàng)態下的(dí)真實(shí)體積(jī)。全流(liú)程中(zhōng)，高(gāo)剛(gāng)性傳(chuán)感(gǎn)器(qì)實時采(cǎi)集位移(yí)與(yǔ)力值(zhí)數據(jù)，並通過(guò)嵌(qiàn)入(rù)式軟件算(suàn)法(fǎ)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行非綫性(xìng)處理(lǐ)。部分設(shè)備還(huán)支持(chí)多點(diǎn)壓強(qiáng)下的(dí)自動(dòng)化測試(shì)功能，可依據(jù)用(yòng)戶設定的(dí)多(duō)個(gè)壓強目標依次加載並記(jì)錄對(duì)應(yīng)的(dí)密度數(shù)據(jù)，建(jiàn)立(lì)完整的“壓(yā)力(lì)-密度”關係曲綫。
三(sān)，設備(bèi)結構與技(jì)術(shù)參數(shù)
電池粉(fěn)末(mò)壓(yā)實密度(dù)試驗(yàn)儀按結構分為(wéi)主機和測(cè)控(kòng)係統(tǒng)兩(liǎng)大部分。以典(diǎn)型型號UTM7305為例，其(qí)主(zhǔ)要技(jì)術(shù)參數如(rú)下：
力(lì)值(zhí)測量(liáng)係(xì)統：最大試驗(yàn)力為(wéi)300kN，準(zhǔn)確度等級(jí)為(wéi)0.5級，試驗力測(cè)量(liáng)範圍(wéi)為0.4%至100%FS，試驗力示(shì)值誤差在±0.5%以內(nèi)，分辨力可達1/500000（全(quán)程不分檔，且全(quán)程(chéng)分(fēn)辨率(shuài)不變）。這(zhè)一精(jīng)度(dù)水平(píng)可滿(mǎn)足鋰電(diàn)材料(liào)測試(shì)對(duì)數據準確性的要求。
位移與速度控製(zhì)係統(tǒng)：位移(yí)示(shì)值(zhí)誤差在(zài)±0.5%以內，位(wèi)移控(kòng)製(zhì)速(sù)率範(fàn)圍(wéi)為(wéi)0.001至50 mm/min，精(jīng)度(dù)為設(shè)定值的(dí)±0.5%以(yǐ)內。力(lì)控(kòng)製速率範(fàn)圍為(wéi)0.02%至5%FS/s，可(kě)適應不(bù)同材(cái)料的加載(zǎi)需求。
結構(gòu)與空間參數(shù)：主機為四立(lì)柱(zhù)框架式(shì)結構，剛(gāng)度(dù)可靠(kào)。壓(yā)縮(suō)夾具盤徑為150mm，上下壓(yā)盤間(jiān)距(jù)為(wéi)240mm，壓縮模具(jù)直徑為13mm，兩(liǎng)立(lì)柱間(jiān)淨距(jù)離(lí)為300mm，最大(dà)行程為100mm。外形尺(chǐ)寸(cùn)為1200×700×1500mm，主(zhǔ)機重(zhòng)量約800kg，電源為380V/50Hz。
功(gōng)能(néng)特點：可實(shí)現力控(kòng)，位(wèi)移控等多種加載(zǎi)方式(shì)，軟(ruǎn)件上(shàng)設定(dìng)好試(shì)驗方案後一鍵(jiàn)加載，即(jí)可(kě)自動得到(dào)試(shì)驗(yàn)結果。該設備專門(mén)針(zhēn)對鋰電(diàn)行(háng)業(yè)測(cè)試(shì)壓(yā)實(shí)密(mì)度而定向設(shè)計研發，在國內(nèi)主(zhǔ)要(yào)電池(chí)主(zhǔ)機廠及(jí)配套的電池負(fù)極材(cái)料(liào)生(shēng)產企業(yè)中得(dé)到應用。
四，典(diǎn)型應用
電池粉末壓實密度(dù)試驗儀(yí)主(zhǔ)要應用於鋰離(lí)子電(diàn)池(chí)正負(fù)極(jí)材(cái)料(liào)的生產和研發(fā)環節(jié)。正極材料(liào)方(fāng)麵(miàn)，涵蓋(gài)了(liǎo)磷酸鐵(tiě)鋰（LFP），鎳鈷(gǔ)錳酸鋰（NCM），鎳(niè)錳酸(suān)鋰（LNMO），鈷酸鋰（LCO），錳酸鋰（LMO）以及富(fù)鋰錳(měng)基材料等，這(zhè)些材料的(dí)壓實(shí)密(mì)度直接影響(xiǎng)電芯的能(néng)量(liáng)密(mì)度(dù)；負極材(cái)料(liào)方(fāng)麵(miàn)，則包括人(rén)造石墨(mò)，天然石墨，矽(guī)基負(fù)極材料以(yǐ)及(jí)鈦酸鋰（LTO）等，石(shí)墨粉(fěn)體的壓實密度(dù)決定(dìng)了負(fù)極極片的(dí)致(zhì)密程度和鋰離(lí)子的擴散路徑(jìng)。
在製(zhì)造工藝(yì)環節，設備在(zài)輥壓工(gōng)序中用於驗證輥(gǔn)壓(yā)後的(dí)極(jí)片壓實密度(dù)是(shì)否達(dá)到設計要求(qiú)，確(què)保電(diàn)池(chí)單(dān)體(tǐ)之間的(dí)一致(zhì)性。在研(yán)發環節，通(tōng)過壓(yā)實密(mì)度(dù)測試篩(shāi)選(xuǎn)材料(liào)配方，評(píng)估(gū)材料(liào)改性(xìng)效(xiào)果，優化材料顆粒形貌(mào)和(hé)粒(lì)徑分布(bù)設(shè)計。同(tóng)時，該(gāi)設備也(yě)可用(yòng)於(yú)質(zhì)量控製抽(chōu)檢(jiǎn)，對(duì)每批次正負極材料進(jìn)行(háng)進場檢驗。
五，選(xuǎn)型(xíng)與使用建議
選擇電池(chí)粉(fěn)末壓(yā)實(shí)密度試驗儀時，力值量程(chéng)需(xū)根據被(bèi)測(cè)材(cái)料(liào)的壓(yā)實難度確定。磷酸(suān)鐵(tiě)鋰(lǐ)材料由(yóu)於硬度較(jiào)高，所(suǒ)需(xū)壓實壓力(lì)通常(cháng)在200MPa以上(shàng)，建(jiàn)議選擇(zé)300kN或(huò)更大(dà)規格的(dí)機型(xíng)；石(shí)墨材(cái)料相(xiāng)對(duì)較(jiào)軟，可選擇較小(xiǎo)量程的型號(hào)。模具精度(dù)影響(xiǎng)測量準(zhǔn)確性(xìng)，應(yīng)確(què)保壓(yā)縮模具(jù)的同(tóng)軸度(dù)和(hé)平(píng)行度(dù)滿足要(yào)求。軟件(jiàn)功(gōng)能(néng)的完備性(xìng)體(tǐ)現在測試(shì)方案(àn)可(kě)編(biān)輯，數據(jù)自動記錄以及(jí)支持(chí)批量導出等方麵。使用時(shí)應按(àn)規定稱取(qǔ)待(dài)測(cè)粉末(mò)樣品的(dí)標稱(chēng)質(zhì)量(liáng)，將未(wèi)裝(zhuāng)樣(yàng)品(pǐn)的專用壓片模具放置於(yú)試(shì)驗(yàn)機(jī)下(xià)壓盤中心(xīn)，嚴(yán)格(gé)遵循(xún)操(cāo)作規(guī)程完成測試。定(dìng)期使(shǐ)用(yòng)標(biāo)準(zhǔn)校準塊對力值和位移(yí)傳感器(qì)進行校驗，確保數(shù)據(jù)溯源可靠。
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