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基于EDEM的廢舊鋰電池正極片破碎參數(shù)分析及試驗(yàn)研究

2021-10-26 08:23:08陳東朱華炳唐陳樂(lè)湯晨柏宇軒畢海軍
機(jī)械工程師 2021年10期
關(guān)鍵詞:鋰電池電池顆粒

陳東,朱華炳,唐陳樂(lè),湯晨,柏宇軒,畢海軍

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,合肥 230009)

0 引言

近年來(lái),隨著能源危機(jī)與環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),新能源汽車得到飛速的發(fā)展,作為新能源汽車核心的動(dòng)力鋰電池的用量也在飛速上升,大量鋰離子電池的使用也會(huì)帶來(lái)大量的廢舊動(dòng)力鋰電池[1]。動(dòng)力鋰電池作為一種易耗品,使用壽命是有限的,乘用車鋰電池壽命約8~10 a,商用車鋰離子電池壽命約為2~3 a,預(yù)計(jì)到2023年,動(dòng)力鋰電池報(bào)廢量將達(dá)到116 萬(wàn)t[2]。報(bào)廢的動(dòng)力鋰電池如果處置不當(dāng),會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染,另一方面,廢舊動(dòng)力鋰電池中的銅、鋁、鋰及塑料等均是寶貴的資源[3]。綜上,對(duì)廢舊動(dòng)力鋰電池進(jìn)行有效的回收利用,具有經(jīng)濟(jì)、資源和社會(huì)等多重效益。破碎設(shè)備被廣泛應(yīng)用于煤炭、化工、冶金、環(huán)保和建材等行業(yè)[4]。破碎設(shè)備性能的好壞對(duì)生產(chǎn)效率及耗能有著極大的影響?;诠?jié)約資源、減少能耗的考慮,提高破碎機(jī)的生產(chǎn)效率,進(jìn)而增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

EDEM是全球首個(gè)多用途離散元素法建模軟件,專門(mén)用來(lái)在礦山、農(nóng)業(yè)、食品工業(yè)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[5-7]。葉濤等[8]利用EDEM軟件對(duì)黏結(jié)礦石模型進(jìn)行沖擊破碎仿真,并通過(guò)正交試驗(yàn)和回歸分析了三種影響破碎效果因素的主次順序;邢志中等[9]利用EDEM軟件分析了立式粉碎機(jī)粉碎內(nèi)腔所受沖擊力的情況及其影響因素,并對(duì)粉碎機(jī)腔進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化。

本文通過(guò)SolidWorks建立破碎機(jī)三維模型,通過(guò)EDEM建立了電池正極片的黏結(jié)模型,并對(duì)整個(gè)破碎過(guò)程進(jìn)行了仿真分析,探究了多個(gè)因素對(duì)破碎效果的影響,通過(guò)正交試驗(yàn)確定最佳參數(shù),為實(shí)際生產(chǎn)中電池破碎提供參考依據(jù)。

1 模型創(chuàng)建與參數(shù)設(shè)定

1.1 幾何體模型創(chuàng)建

本文主要研究電池正極片的破碎情況,以及各個(gè)參數(shù)對(duì)極片破碎效果的影響,為了避免建立的模型過(guò)于復(fù)雜,導(dǎo)致仿真時(shí)難以排除故障,將模型進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理,只保留破碎腔,其他的次要部件忽略,便于進(jìn)行破碎仿真實(shí)驗(yàn)。使用SolidWorks對(duì)立式破碎機(jī)進(jìn)行建模,碎碎腔內(nèi)徑為150 mm,深度為80 mm,破碎腔三維模型(如圖1)以x_t格式保存并導(dǎo)入EDEM軟件中。

圖1 幾何體模型

電池正極片為鋁箔上涂抹有正極材料,設(shè)備材料為304不銹鋼,各個(gè)材料的物理參數(shù)如表1所示。

表1 材料物理參數(shù)表

在破碎時(shí),顆粒與顆粒間,顆粒與破碎腔內(nèi)壁均會(huì)發(fā)生相互作用,接觸參數(shù)如表2所示。

表2 材料接觸物理參數(shù)表

1.2 顆粒黏結(jié)模型的建立

黏結(jié)顆粒采用Hertz-Mindlin with bonding模型,模型基于原理是由多個(gè)小顆粒通過(guò)彼此之間的黏結(jié)鍵黏結(jié)成一個(gè)大顆粒的模型,在外力作用下顆粒間黏結(jié)鍵會(huì)發(fā)生破壞,從而產(chǎn)生破碎及斷裂效果。

1)假定所破碎的物料幾何形狀為四方體,且由大量小顆粒通過(guò)黏結(jié)鍵黏結(jié)而成;

2)假設(shè)顆粒接觸模型為軟球模型,即能發(fā)生一定的擠壓變形,變形量取決于黏結(jié)鍵和小顆粒接觸半徑;

3)小顆粒之間的黏結(jié)力假設(shè)相等[10]。

由于立式破碎機(jī)能夠破碎的物料粒度不大于200 mm,為了加大仿真的準(zhǔn)確性,在EDEM中用50 mm×50 mm的片狀模型代表電池正極片,用半徑為1 mm的小顆粒進(jìn)行填充,物料填充公式為

式中:α為填充體積分?jǐn)?shù),一般取0.56;N為填充所需的Fraction數(shù)量;VReal為被替換的大顆粒的體積;VFraction為填充大顆粒所需的單一小顆粒的體積。

根據(jù)式(1),計(jì)算出所需的Fraction數(shù)量為1671個(gè)。

得到填充模型后輸出小顆粒的位置坐標(biāo),再次新建EDEM文件,建立一個(gè)可以容納片狀模型的球體,計(jì)算后建立半徑30 mm的大顆粒,命名為Whole,建立半徑1 mm的小顆粒,命名為Fraction,加載API插件,將1671個(gè)小顆粒替換為大顆粒并快速黏結(jié)。

圖2 顆粒替換過(guò)程

1.3 仿真過(guò)程

在仿真實(shí)驗(yàn)時(shí),顆粒工廠創(chuàng)建在破碎腔內(nèi)部上方,顆粒以5000 /s的靜態(tài)生成,顆粒替換時(shí)間發(fā)生在0.3 s,黏結(jié)時(shí)間設(shè)定在0.301 s,仿真時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為30%,網(wǎng)格尺寸為3R。仿真過(guò)程如圖3所示。物料在0.3 s發(fā)生替換生成,隨后做自由落體下落,落入破碎腔底部靜止,刀片于0.5 s時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng),與物料發(fā)生發(fā)生碰撞切割,物料進(jìn)而發(fā)生破碎。在本次仿真實(shí)驗(yàn)中,一個(gè)大顆粒是由1671個(gè)小顆粒黏結(jié)在一起的,大顆粒在破碎過(guò)程中會(huì)受到自身的重力、顆粒與刀片間剪切應(yīng)力、顆粒與破碎腔內(nèi)壁碰撞的沖擊力、顆粒與顆粒之間的摩擦、擠壓應(yīng)力的作用,從而導(dǎo)致顆粒間黏結(jié)鍵發(fā)生斷裂,產(chǎn)生破碎效果。通過(guò)破碎后剩余的黏結(jié)鍵數(shù)量來(lái)表征破碎效果的好壞,剩余的越少,則破碎效果越好。

圖3 物料破碎過(guò)程圖

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

破碎機(jī)的轉(zhuǎn)速與破碎時(shí)間對(duì)破碎效率有很大的影響,當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí),是對(duì)電能的極大浪費(fèi),而且會(huì)加劇刀片的磨損,但是轉(zhuǎn)速過(guò)低或時(shí)間過(guò)短,破碎效果又不夠好。由于破碎機(jī)內(nèi)徑大小的限制,一次放入的物料數(shù)也制約著破碎效果的好壞,合理設(shè)置較好的參數(shù)能夠有效提高破碎的效率。本次針對(duì)破碎機(jī)的轉(zhuǎn)速、破碎時(shí)間及一次放入的物料數(shù)這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。設(shè)置二組實(shí)驗(yàn),通過(guò)分析仿真后剩余的黏結(jié)鍵數(shù)量占總黏結(jié)鍵數(shù)量的百分比對(duì)破碎效果進(jìn)行比較。

1)改變破碎機(jī)轉(zhuǎn)速,分析其對(duì)破碎效果的效果。

保持放入物料數(shù)為2片不變,分別設(shè)置轉(zhuǎn)速為28 000、30 000、32 000、34 000、36 000 r/min, 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并觀察斷裂黏結(jié)鍵的百分比隨時(shí)間的變化(如圖4),分析在不同轉(zhuǎn)速條件下破碎機(jī)的破碎效率。

圖4 不同轉(zhuǎn)速條件下黏結(jié)鍵隨時(shí)間變化圖

2)改變放入物料數(shù),分析其對(duì)破碎效果的效果。

保持轉(zhuǎn)速為30 000 r/min不變,分別設(shè)置放入物料數(shù)為1、2、3、4、5片, 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并觀察斷裂黏結(jié)鍵的百分比隨時(shí)間的變化(如圖5),分析在不同物料數(shù)條件下破碎機(jī)的破碎效率。

圖5 不同物料數(shù)條件下黏結(jié)鍵隨時(shí)間變化圖

2.2 仿真結(jié)果分析

從第一組仿真結(jié)果分析,在前20 s內(nèi),隨著時(shí)間的進(jìn)行,物料的破碎效果較好,20 s之后,物料的破碎效果提升得有限。隨著轉(zhuǎn)速的增加,對(duì)黏結(jié)鍵的破壞效果也在增大。在轉(zhuǎn)速為30 000 r/min、30 s的破碎時(shí)間時(shí),破碎效果較好,當(dāng)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高時(shí),物料的破碎效果會(huì)更好,但提升幅度不大?;诒3窒到y(tǒng)的穩(wěn)定及節(jié)約資源的考慮,在保證有較好的破碎效果的情況下,應(yīng)選擇較低的轉(zhuǎn)速。

從第二組仿真結(jié)果分析,隨著放入物料數(shù)的增加,對(duì)黏結(jié)鍵的破壞效果在降低,在一次放入物料數(shù)大于1片的情況下,隨著物料數(shù)的增多,對(duì)破碎效率的影響也不大,但考慮到破碎腔內(nèi)部空間的大小,一次放入的物料數(shù)也不宜過(guò)多。

3 正交試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了研究破碎過(guò)程中影響破碎效果的主要因素,得到破碎效果最好的最佳參數(shù)組合,在上述仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上,進(jìn)行正交試驗(yàn)。將破碎機(jī)轉(zhuǎn)速、破碎時(shí)間、放入物料數(shù)分別標(biāo)記為A、B、C因素,每個(gè)因素取3個(gè)水平,設(shè)計(jì)3因素3水平的正交試驗(yàn),設(shè)計(jì)因素水平表如表3所示,每組試驗(yàn)重復(fù)3次,取平均值,試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表3 因素水平表

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

3.2 試驗(yàn)設(shè)備與原料

試驗(yàn)原料為安徽巡鷹新能源科技有限公司提供的廢舊磷酸鐵鋰電池,通過(guò)手工拆解分離得到電池內(nèi)芯正極片,將其裁剪成規(guī)則的50 mm×50 mm的片狀。試驗(yàn)設(shè)備有卓精BMS-120.4型精密電子分析天平,3個(gè)高速粉碎機(jī),轉(zhuǎn)速分別為30 000 r/min、32 000 r/min、34 000 r/min。當(dāng)破碎后物料粒徑小于2.5 mm時(shí),即可認(rèn)為破碎效果較好,下一步的分選效果就較為出色。故破碎效率為破碎后2.5 mm以下的物料質(zhì)量占整體破碎物料質(zhì)量的百分比。

圖6 各試驗(yàn)條件下破碎情況

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表4的9組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以直接看出:第8組試驗(yàn)的破碎效率最高,試驗(yàn)方案為A3B2C1;第7組試驗(yàn)的破碎效率最低,試驗(yàn)方案為A3B2C1。再對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析,結(jié)果如表5所示。

表5 極差分析結(jié)果

由表5中極差分析可知,破碎機(jī)轉(zhuǎn)速的極差最大,這表示破碎機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)破碎效率影響最大,放入物料數(shù)次之,破碎時(shí)間對(duì)破碎效率影響最小。

再繪制因素水平效應(yīng)圖,如圖7所示。由圖7可知,隨著破碎機(jī)轉(zhuǎn)速的提高,破碎效率呈單調(diào)遞增的趨勢(shì);隨著破碎時(shí)間的提高,破碎效率呈單調(diào)遞增的趨勢(shì);隨著放入物料數(shù)的提高,破碎效率呈單調(diào)遞減的趨勢(shì)。

圖7 因素水平效應(yīng)圖

4 結(jié)語(yǔ)

1)基于離散單元法建立廢舊動(dòng)力鋰電池正極片仿真模型,運(yùn)用EDEM軟件對(duì)電池破碎過(guò)程進(jìn)行仿真模擬。以顆粒黏結(jié)鍵為評(píng)價(jià)指標(biāo),進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn),得出以下結(jié)論:在一定范圍內(nèi),顆粒黏結(jié)鍵斷裂數(shù)隨著破碎機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而增加,隨著放入物料數(shù)的增加而減少。

2)在EDEM仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上,對(duì)破碎機(jī)轉(zhuǎn)速、破碎時(shí)間、放入物料數(shù)進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn),通過(guò)試驗(yàn)得出影響廢舊動(dòng)力鋰離子電池正極片破碎效果的因素主次順序?yàn)槠扑闄C(jī)轉(zhuǎn)速>放入物料數(shù)>破碎時(shí)間,得到最優(yōu)參數(shù)為:轉(zhuǎn)速為34 000 r/min,破碎時(shí)間為20 s,放入物料數(shù)為1片。

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