Lithium-Batterie-Wickelmaschine: Prinzipien, Schlüsselprozesse und Richtlinien zur Qualitätskontrolle

Im Herstellungsprozess von Lithium-Ionen-Batterien gibt es in der Regel mehrere Möglichkeiten, den Prozess zu unterteilen. Der Prozess kann in drei Hauptprozesse unterteilt werden: Elektrodenherstellung, Montageprozess und Zelltest (wie in der Abbildung unten dargestellt), und es gibt auch Unternehmen, die ihn in Vorwickel- und Nachwickelprozesse unterteilen, und dieser Grenzpunkt ist der Wickelvorgang. Aufgrund seiner starken Integrationsfunktion kann das Erscheinungsbild der Batterie beim ersten Formen verändert werden, sodass der Wickelprozess bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien eine entscheidende Rolle spielt und der Wickelprozess, der durch den gerollten Kern erzeugt wird, oft als blank bezeichnet wird Batteriezelle (Jelly-Roll, kurz JR genannt).

Herstellungsprozess für Lithium-Ionen-Batterien
Im Herstellungsprozess von Lithium-Ionen-Batterien wird der Kernwickelprozess wie folgt dargestellt. Der spezifische Vorgang besteht darin, das positive Polstück, das negative Polstück und die Isolationsfolie durch den Nadelmechanismus der Wickelmaschine zusammenzurollen, und die benachbarten positiven und negativen Polstücke werden durch die Isolationsfolie isoliert, um einen Kurzschluss zu verhindern. Nachdem die Wicklung abgeschlossen ist, wird der Kern mit abschließendem Klebepapier fixiert, um ein Auseinanderfallen des Kerns zu verhindern, und geht dann zum nächsten Prozess über. Bei diesem Prozess kommt es darauf an, sicherzustellen, dass kein physischer Kontakt zwischen den positiven und negativen Elektroden besteht und dass die negative Elektrodenfolie die positive Elektrodenfolie sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung vollständig bedecken kann.

Schematische Darstellung des Wickelvorgangs
Beim Wickelvorgang des Kerns klemmen im Allgemeinen zwei Spannstifte zwei Membranschichten zum Vorwickeln ein und führen dann der Reihe nach das positive oder negative Polstück zu, und das Polstück wird zum Wickeln zwischen den beiden Membranschichten eingeklemmt. In Längsrichtung des Kerns überschreitet die Membran die negative Membran und die negative Membran überschreitet die positive Membran, um einen Kontaktkurzschluss zwischen der positiven und negativen Membran zu vermeiden.

Schematische Darstellung der Wickelnadel-Klemmmembran

Physische Zeichnung einer automatischen Wickelmaschine

Die Wickelmaschine ist die Schlüsselausrüstung zur Realisierung des Kernwickelprozesses. Unter Bezugnahme auf das obige Diagramm sind seine Hauptkomponenten und Funktionen wie folgt:

1. Polstück-Versorgungssystem: Befördern Sie die positiven und negativen Polstücke entlang der Führungsschiene zu den beiden Membranschichten zwischen AA-Seite und BB-Seite, um eine stabile Versorgung mit Polstücken sicherzustellen.
2. Membranabwickelsystem: Es umfasst obere und untere Membranen, um die automatische und kontinuierliche Versorgung der Wickelnadel mit Membranen zu ermöglichen.
3. Spannungskontrollsystem: Zur Steuerung der konstanten Spannung der Membran während des Wickelvorgangs.
4. Wickel- und Klebesystem: zum Kleben und Fixieren der Kerne nach dem Wickeln.
5. Entladefördersystem: Lösen Sie die Hülsen automatisch von den Nadeln und lassen Sie sie auf das automatische Förderband fallen.
6. Fußschalter: Wenn kein abnormaler Zustand vorliegt, betätigen Sie den Fußschalter, um den normalen Wickelvorgang zu steuern.
7. Mensch-Computer-Interaktionsschnittstelle: mit Parametereinstellung, manuellem Debuggen, Alarmaufforderungen und anderen Funktionen.

Aus der obigen Analyse des Wickelvorgangs ist ersichtlich, dass die Wicklung des elektrischen Kerns zwei unvermeidbare Verbindungen enthält: das Drücken der Nadel und das Ziehen der Nadel.
Verfahren zum Drücken der Nadel: Die beiden Nadelrollen erstrecken sich unter der Wirkung des Nadelzylinders durch beide Seiten der Membran. Die beiden Nadelrollen werden durch die Kombination des in die Hülse eingesetzten Nadelzylinders und der Nadelrollen gebildet In der Nähe der Membran klemmen sich gleichzeitig die beiden Nadelrollen zu einer grundsätzlich symmetrischen Form zusammen, die als Kern der Kernwicklung dient.

Schematische Darstellung des Nadeleindrückvorgangs

Nadelpumpvorgang: Nachdem die Kernwicklung abgeschlossen ist, werden die beiden Nadeln unter der Wirkung des Nadelpumpzylinders zurückgezogen, der Nadelzylinder wird aus der Hülse zurückgezogen, die Kugel in der Nadelvorrichtung schließt die Nadel unter der Wirkung der Feder, und die beiden Nadeln sind in entgegengesetzte Richtungen gewickelt, und die Größe des freien Endes der Nadel wird verringert, um einen bestimmten Spalt zwischen der Nadel und der Innenfläche des Kerns zu bilden, und wenn die Nadel relativ zur Haltehülse zurückgezogen ist, werden die Nadeln und Der Kern lässt sich problemlos trennen.

Schematische Darstellung des Nadelextraktionsprozesses

Die „Nadel“ beim oben genannten Vorgang des Schiebens und Herausziehens der Nadel bezieht sich auf die Nadel, die als Kernkomponente der Wickelmaschine einen erheblichen Einfluss auf die Wickelgeschwindigkeit und die Qualität des Kerns hat. Heutzutage verwenden die meisten Spulmaschinen runde, ovale und flache rautenförmige Nadeln. Bei runden und ovalen Nadeln kommt es aufgrund des Vorhandenseins eines bestimmten Bogens zu einer Verformung des Polohrs des Kerns, was beim anschließenden Pressen des Kerns zu einer Verformung führt, aber auch leicht zu inneren Falten und einer Verformung des Kerns führt. Bei flachen, rautenförmigen Nadeln variiert die Spannung des Polstücks und der Membran aufgrund des großen Größenunterschieds zwischen der langen und kurzen Achse erheblich, sodass der Antriebsmotor mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aufwickeln muss, was die Steuerung des Prozesses erschwert. und die Wickelgeschwindigkeit ist normalerweise niedrig.

Schematische Darstellung gängiger Wickelnadeln

Nehmen Sie als Beispiel die komplizierteste und gebräuchlichste flache rautenförmige Nadel. Während ihres Aufwickelns und Drehens werden die positiven und negativen Polstücke und die Membran immer um die sechs Eckpunkte B, C, D, E, F gewickelt und G als Stützpunkt.

Schematische Darstellung der Rotation der flachen, rautenförmigen Wickelnadel

Daher kann der Wickelprozess in Segmentwicklung mit OB, OC, OD, OE, OF, OG als Radius unterteilt werden und muss nur die Änderung der Liniengeschwindigkeit in den sieben Winkelbereichen zwischen θ0, θ1, θ2, θ3, θ4, θ5, θ6 und θ7, um den zyklischen Rotationsprozess der Wickelnadel vollständig quantitativ zu beschreiben.

Schematische Darstellung verschiedener Nadeldrehwinkel

Basierend auf der trigonometrischen Beziehung kann die entsprechende Beziehung abgeleitet werden.

Aus der obigen Gleichung lässt sich leicht erkennen, dass beim Wickeln der Wickelnadel mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit die lineare Wickelgeschwindigkeit und der Winkel zwischen dem Stützpunkt der Nadel und den positiven und negativen Polstücken sowie der Membran gleich sind in einer segmentierten Funktionsbeziehung. Die Bildbeziehung zwischen den beiden wird von Matlab wie folgt simuliert:

Änderungen der Wickelgeschwindigkeit bei verschiedenen Winkeln

Es ist intuitiv offensichtlich, dass das Verhältnis der maximalen Lineargeschwindigkeit zur minimalen Lineargeschwindigkeit beim Wickelvorgang der flachen rautenförmigen Nadel in der Abbildung mehr als das Zehnfache betragen kann. Eine derart große Änderung der Leitungsgeschwindigkeit führt zu großen Schwankungen der Spannung der positiven und negativen Elektroden sowie der Membran, was die Hauptursache für Schwankungen der Wickelspannung ist. Übermäßige Spannungsschwankungen können zu einer Dehnung der Membran während des Wickelvorgangs, einer Schrumpfung der Membran nach dem Wickeln und zu kleinen Schichtabständen an den Ecken im Inneren des Kerns nach dem Kernpressen führen. Während des Ladevorgangs führt die Ausdehnung des Polstücks dazu, dass die Spannung in Richtung der Breite des Kerns nicht konzentriert wird, was zu einem Biegemoment führt, was zu einer Verformung des Polstücks führt und die vorbereitete Lithiumbatterie schließlich „S“ erscheint „Verformung.

CT-Bild und Zerlegungsdiagramm des „S“-verformten Kerns

Um das Problem der schlechten Kernqualität (hauptsächlich Verformung), die durch die Form der Wickelnadel verursacht wird, zu lösen, werden derzeit üblicherweise zwei Methoden verwendet: Wickeln mit variabler Spannung und Wickeln mit variabler Geschwindigkeit.

1. Wicklung mit variabler Spannung: Nehmen wir als Beispiel eine zylindrische Batterie. Bei konstanter Winkelgeschwindigkeit nimmt die Lineargeschwindigkeit mit der Anzahl der Wicklungsschichten zu, was zu einem Spannungsanstieg führt. Variable Spannungswicklung, das heißt, durch das Spannungskontrollsystem, so dass die Spannung, die auf das Polstück oder die Membran ausgeübt wird, mit zunehmender Anzahl der Wicklungsschichten und linearer Verringerung, so dass im Fall einer konstanten Drehzahl, dies aber immer noch möglich ist Sorgen Sie während des gesamten Wickelvorgangs dafür, dass die Spannung möglichst konstant bleibt. Eine große Anzahl von Wickelexperimenten mit variabler Spannung haben zu folgenden Schlussfolgerungen geführt:
A. Je geringer die Wickelspannung ist, desto besser ist die Verbesserungswirkung auf die Kernverformung.
B. Beim Aufwickeln mit konstanter Geschwindigkeit nimmt die Spannung mit zunehmendem Kerndurchmesser linear ab, wobei das Risiko einer Verformung geringer ist als beim Aufwickeln mit konstanter Spannung.
2. Wickeln mit variabler Geschwindigkeit: Nehmen Sie als Beispiel eine quadratische Zelle. Normalerweise wird eine flache, rautenförmige Wickelnadel verwendet. Wenn die Nadel mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit gewickelt wird, schwankt die lineare Geschwindigkeit erheblich, was zu großen Unterschieden im Schichtabstand an den Ecken des Kerns führt. Zu diesem Zeitpunkt besteht bei linearen Geschwindigkeitsänderungen die Notwendigkeit, das Gesetz der Drehzahländerung umzukehren, d wie möglich, um sicherzustellen, dass die Spannungsschwankungen im Bereich kleiner Amplitudenwerte liegen.

Kurz gesagt, die Form der Wickelnadel kann die Ebenheit des Polohrs (Kernausbeute und elektrische Leistung), die Wickelgeschwindigkeit (Produktivität), die Gleichmäßigkeit der Kerninnenspannung (Probleme bei der Verformung) usw. beeinflussen. Bei zylindrischen Batterien werden üblicherweise Rundnadeln verwendet; Bei quadratischen Batterien werden üblicherweise elliptische oder flache rhombische Nadeln verwendet (in einigen Fällen können auch runde Nadeln verwendet werden, um den Kern zu einem quadratischen Kern zu wickeln und abzuflachen). Darüber hinaus zeigen zahlreiche experimentelle Daten, dass die Qualität der Kerne einen wichtigen Einfluss auf die elektrochemische Leistung und die Sicherheitsleistung der endgültigen Batterie hat.

Auf dieser Grundlage haben wir einige wichtige Bedenken und Vorsichtsmaßnahmen beim Wickelprozess von Lithiumbatterien geklärt, in der Hoffnung, unsachgemäße Vorgänge beim Wickelprozess so weit wie möglich zu vermeiden, um Lithiumbatterien herzustellen, die den Qualitätsanforderungen entsprechen.

Um die Kerndefekte sichtbar zu machen, kann der Kern zum Aushärten in AB-Kleber-Epoxidharz getaucht und anschließend der Querschnitt mit Sandpapier geschnitten und poliert werden. Es ist am besten, die vorbereiteten Proben unter einem Mikroskop oder Rasterelektronenmikroskop zu betrachten, um die Kartierung der inneren Defekte des Kerns zu erhalten.

Interne Fehlerkarte des Kerns
(a) Die Abbildung zeigt einen qualifizierten Kern ohne offensichtliche interne Mängel.
(b) In der Abbildung ist das Polstück offensichtlich verdreht und deformiert, was möglicherweise mit der Wickelspannung zusammenhängt. Die Spannung ist zu groß, um Falten am Polstück zu verursachen, und diese Art von Defekten führt zu einer Verschlechterung der Batterieschnittstelle und des Lithiums Niederschlag, der die Leistung der Batterie beeinträchtigt.
(c) In der Abbildung befindet sich zwischen der Elektrode und dem Diaphragma ein Fremdkörper. Dieser Defekt kann zu einer schwerwiegenden Selbstentladung führen und sogar Sicherheitsprobleme verursachen, kann jedoch normalerweise im Hi-Pot-Test erkannt werden.
(d) Die Elektrode in der Abbildung weist ein negatives und positives Defektmuster auf, was zu geringer Kapazität oder Lithiumausfällung führen kann.
(e) Die Elektrode in der Abbildung enthält Staub, der zu einer erhöhten Selbstentladung der Batterie führen kann.

Darüber hinaus können Defekte im Inneren des Kerns auch durch zerstörungsfreie Prüfungen charakterisiert werden, beispielsweise durch die häufig verwendeten Röntgen- und CT-Prüfungen. Im Folgenden finden Sie eine kurze Einführung in einige häufige Kernprozessfehler:

1. Schlechte Abdeckung des Polstücks: Das lokale Minuspolstück ist nicht vollständig mit dem Pluspolstück bedeckt, was zu einer Verformung der Batterie und Lithiumausfällung führen kann, was zu potenziellen Sicherheitsrisiken führt.

2. Verformung des Polstücks: Das Polstück wird durch Extrusion verformt, was einen internen Kurzschluss auslösen und schwerwiegende Sicherheitsprobleme mit sich bringen kann.

Es ist erwähnenswert, dass im Jahr 2017 der aufsehenerregende Explosionsfall des Samsung Note7-Handys das Untersuchungsergebnis darauf zurückzuführen ist, dass die negative Elektrode im Inneren der Batterie zusammengedrückt wurde, um einen internen Kurzschluss zu verursachen, wodurch die Batterie explodierte, was den Unfall verursachte Samsung-Elektronik Verlust von mehr als 6 Milliarden Dollar.

3. Metallische Fremdstoffe: Metallische Fremdstoffe sind die Leistung von Lithium-Ionen-Batterie-Killern und können aus der Paste, der Ausrüstung oder der Umgebung stammen. Größere Metallfremdkörperpartikel können direkt einen physikalischen Kurzschluss verursachen. Wenn metallische Fremdkörper in die positive Elektrode eingemischt werden, werden sie oxidiert und lagern sich dann auf der Oberfläche der negativen Elektrode ab, durchdringen das Diaphragma und verursachen letztendlich einen inneren Kurzschluss Kurzschluss in der Batterie, der ein ernstes Sicherheitsrisiko darstellt. Übliche metallische Fremdstoffe sind Fe, Cu, Zn, Sn usw.

Eine Lithiumbatterie-Wickelmaschine wird zum Wickeln von Lithiumbatteriezellen verwendet. Dabei handelt es sich um eine Art Ausrüstung zum Zusammenbau von positivem Elektrodenblech, negativem Elektrodenblech und Diaphragma zu einem Kernpaket (JR: JellyRoll) durch kontinuierliche Rotation. Die inländischen Wickelherstellungsanlagen begannen im Jahr 2006 mit der halbautomatischen runden, halbautomatischen quadratischen Wicklung und der automatisierten Filmproduktion und entwickelten sich dann zu einer kombinierten Automatisierung, einer Filmwickelmaschine, einer Laserstanzwickelmaschine, einer kontinuierlichen Anodenwickelmaschine und einer kontinuierlichen Membranwicklung Maschine usw.

Hier empfehlen wir insbesondere die Yixinfeng-Laser-Stanz-Wickel- und Schiebe-Flachmaschine. Diese Maschine kombiniert fortschrittliche Laserstanztechnologie, einen effizienten Wickelprozess und eine präzise Schiebefunktion, was die Produktionseffizienz und Qualität von Lithiumbatterien erheblich verbessern kann. Es hat die folgenden wesentlichen Vorteile:


1. Hochpräzises Stanzen: Stellen Sie die genaue Größe von Polstück und Membran sicher, reduzieren Sie Materialverschwendung und verbessern Sie die Konsistenz der Batterie.
2. Stabile Wicklung: Optimierter Wickelmechanismus und Steuerungssystem sorgen für eine straffe und stabile Kernstruktur, reduzieren den Innenwiderstand und verbessern die Batterieleistung.
3. Hocheffiziente Nivellierung: Das einzigartige Nivellierungsdesign macht die Oberfläche der Kerne flach, reduziert ungleichmäßige innere Spannungen und verlängert die Batterielebensdauer.
4. Intelligente Steuerung: Ausgestattet mit einer fortschrittlichen Mensch-Computer-Interaktionsschnittstelle ermöglicht es eine genaue Parametereinstellung und Echtzeitüberwachung sowie eine einfache Bedienung und einfache Wartung.
5. Breites Kompatibilitätsspektrum: Es können auch 18, 21, 32, 46, 50, 60 Batteriezellen aller Modelle verwendet werden, um Ihren unterschiedlichen Produktionsanforderungen gerecht zu werden.

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