鋰電池-卷繞機指南

2024-08-13 08:08:54· 來源：曉風數(shù)據(jù)鋰航

典型的鋰離子電池制造流程通?？煞譃槿蠊ば颍ㄈ缦聢D）：電極制造、裝配過程和電芯檢測，但也有公司將其只劃分為兩大工序：卷繞前工序和卷繞后工序，這一分界點就是卷繞工序，這是因為卷繞過程具有很強的集成功能，使電池外觀初露雛形，因此卷繞過程充當了鋰離子電池制造過程樞紐的角色，是鋰電池制造過程的關(guān)鍵工序，卷繞工序生產(chǎn)的卷芯通常被稱作裸電芯（Jelly-Roll，簡稱JR）。

典型的鋰離子電池制造流程

下圖是卷芯卷繞過程示意圖，具體做法是將正極片、負極片和隔離膜通過卷繞機的卷針機構(gòu)卷制在一起，相鄰的正負極片之間被隔離膜隔絕，避免短路，卷繞完成后，通過收尾膠紙進行固定防止卷芯散開，然后流轉(zhuǎn)到下一工序。在這一過程的重中之重就是要確保正負極之間不發(fā)生物理接觸短路，并且負極片橫、縱兩個方向都能完全包覆住正極片。

卷繞過程示意圖

鋰電池卷芯的卷繞過程一般是先用兩卷針夾緊兩層隔膜進行預(yù)卷，然后依次送入正極片或負極片，極片分別夾在兩層隔膜之間進行卷繞。在卷芯縱向方向，隔膜超出負極膜片，負極膜片超出正極膜片，防止正、負極片之間接觸短路。

卷針夾緊隔膜示意圖

半自動卷繞機實物圖

卷芯的卷繞過程通過卷繞機實現(xiàn)。參考上圖，卷繞機的主要組成部分及其功能包括：

1）極片供給系統(tǒng)

分別將正、負極片沿著導軌輸送到兩層隔膜的A-A面和B-B面之間，實現(xiàn)極片的供給；

2）隔膜放卷系統(tǒng)

包括上隔膜和下隔膜，實現(xiàn)隔膜到卷針的自動連續(xù)供給；

3）張力控制系統(tǒng)

實現(xiàn)卷繞過程中隔膜的恒張力控制；

4）收尾貼膠系統(tǒng)

對卷繞后的卷芯進行貼膠固定；

5）卸料傳輸系統(tǒng)

將卷芯從卷針上自動拆卸，然后掉落到自動傳輸帶上；

6）腳踏開關(guān)

當無任何異常時，踩下腳踏開關(guān)控制卷繞正常進行；

7）人機交互界面

實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、手動調(diào)試、報警提示等功能。

從以上卷繞過程分析可知，電芯卷繞包括兩個不可避免的過程：推針和抽針。

推針過程：兩卷針在推針氣缸作用下伸出，分別穿過隔膜兩側(cè)，然后兩卷針組合形成的針頭圓柱體正好插入軸套中，卷針合攏夾持隔膜，同時，兩卷針合并后形成一個基本對稱的規(guī)則形狀作為卷芯的內(nèi)核。

推針過程示意圖

抽針過程：卷芯卷繞完成后，兩卷針在抽針氣缸作用下縮回，針頭圓柱從軸套中退出，卷針裝置中的滾珠在彈簧作用下使卷針閉合，兩卷針相向卷繞，卷針的自由端尺寸變小，在卷針和卷芯內(nèi)表面之間形成一定間隙，隨著卷針相對擋套縮進，實現(xiàn)卷針和卷芯的順利分離。

抽針過程示意圖

上述的推針和抽針中的“針”即指卷針，作為卷繞機的核心零部件，卷針影響著卷繞速度和卷芯質(zhì)量，目前大部分卷繞機采用圓形、橢圓形和扁菱形卷針，對于圓形和橢圓形卷針，由于存在一定弧度，會造成電芯的極耳變形，在隨后的壓芯過程中，還容易造成電芯內(nèi)部起皺變形，對于扁菱形卷針，由于其長軸和短軸尺寸相差較大，極片和隔膜張力變化較大，需要驅(qū)動電機變轉(zhuǎn)速卷繞，過程難以控制，卷繞速度一般較低。

常見卷針示意圖

以最復雜且最常見的扁菱形卷針為例進行簡要介紹，在其卷繞旋轉(zhuǎn)過程中，正、負極片和隔膜總是以B、C、D、E、F、G六個邊角點作為支撐點進行包繞。

扁菱形卷針旋轉(zhuǎn)示意圖

因此，可以將卷繞過程拆分為分別以O(shè)B、OC、OD、OE、OF、OG為半徑的分段卷繞，即只需分析以下θ0、θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6、θ7之間七個角度范圍內(nèi)線速度的變化情況就可以完全定量描述卷針周期性的轉(zhuǎn)動過程。

卷針旋轉(zhuǎn)不同角度示意圖

根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系，容易推導出如下關(guān)系式：

從上述方程式可以容易看出，當卷針以恒定角速度卷繞時，卷繞的線速度和卷針支撐點與正、負極片和隔膜之間形成的角度是分段函數(shù)關(guān)系，通過Matlab仿真二者之間的圖像關(guān)系如下：

不同角度位置卷針線速度變化情況

由此可以直觀的看出，圖例中扁菱形卷針卷繞過程中最大線速度和最小線速度之比可高達10倍以上，如此大的線速度變化將給正、負極片和隔膜的張力帶來很大的波動，這便是卷繞張力波動的最主要原因。過大的張力波動可能導致卷繞過程中隔膜被拉伸，卷繞完成后隔膜收縮，壓芯后卷芯內(nèi)部拐角處層間距較小，在充電過程中，極片膨脹導致卷芯寬度方向應(yīng)力不集中，產(chǎn)生彎矩，造成極片扭曲，所制備的鋰電池最終出現(xiàn)“S”變形。

“S”變形的電芯CT圖像和拆解圖

目前通常通過變張力卷繞和變轉(zhuǎn)速卷繞兩種方法來解決由于卷針形狀引起的卷芯質(zhì)量不良問題（主要是變形問題）。

1）變張力卷繞

以圓柱電池為例，在恒定的角速度下，線速度隨著卷繞層數(shù)的增加而增加，導致張力越來越大。變張力卷繞即指通過張力控制系統(tǒng)將施加于極片或隔膜上的張力隨著卷繞層數(shù)的增加而線性的減少，從而在恒轉(zhuǎn)速的情況下，仍然可以使整個卷繞過程盡可能保持恒定的張力。

通過大量的變張力卷繞實驗，得出如下結(jié)論：

a.卷繞張力越小對卷芯變形改善越好；

b.恒轉(zhuǎn)速卷繞過程中，隨著卷芯直徑增加，張力線性減小比恒定張力卷繞的變形風險更低。

2）變轉(zhuǎn)速卷繞

以方形電池為例，通常采用扁菱形卷針，當卷針以恒定角速度卷繞時，根據(jù)以上分析可知，其線速度波動很大，導致卷芯內(nèi)部拐角處層間距相差較大，此時，需要根據(jù)線速度變化情況反向推導轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，即卷繞的轉(zhuǎn)速隨著角度的變化而變化，實現(xiàn)卷繞過程線速度波動盡可能小，從而保證張力在小幅值范圍內(nèi)波動。

總之，卷針形狀可能影響極耳平整度（卷芯良率和電性能）、卷繞速度（生產(chǎn)效率）、卷芯內(nèi)部應(yīng)力均勻性（外觀變形問題）等，對于圓柱形電池，通常選用圓形卷針，而對于方形電池，通常選用橢圓形或扁菱形卷針（某些情況也可以采用圓形卷針卷繞，將卷芯壓扁形成方形卷芯）。

另外，大量的實驗數(shù)據(jù)表明，卷芯質(zhì)量對最終成品電池的電化學性能和安全性能具有重要影響?；诖耍覀兪崂砹虽囯姵鼐砝@過程的一些重要的關(guān)注焦點和注意事項，形成了《鋰電池卷繞指南》，期望盡可能規(guī)避卷繞過程中的不正確操作，從而制造出符合質(zhì)量要求的鋰電池。