Bobineuse de batterie au lithium : principes, processus clés et directives de contrôle qualité

Dans le processus de fabrication des batteries lithium-ion, il existe généralement plusieurs façons de diviser le processus. Le processus peut être divisé en trois processus principaux : la fabrication des électrodes, le processus d'assemblage et le test des cellules (comme le montre la figure ci-dessous), et certaines entreprises le divisent également en processus de pré-enroulement et de post-enroulement, et ce point de démarcation est le processus de bobinage. En raison de sa forte fonction d'intégration, peut donner l'apparence du moulage initial à la batterie, de sorte que le processus d'enroulement dans la fabrication de la batterie lithium-ion en tant que rôle central est la clé, le processus d'enroulement produit par le noyau laminé est souvent appelé le nu cellule de batterie (Jelly-Roll, appelé JR).

Processus de fabrication des batteries lithium-ion
Dans le processus de fabrication de la batterie lithium-ion, le processus d'enroulement du noyau est illustré comme suit. L'opération spécifique consiste à enrouler ensemble la pièce polaire positive, la pièce polaire négative et le film isolant à travers le mécanisme à aiguille de la bobineuse, et les pièces polaires positives et négatives adjacentes sont isolées par le film isolant afin d'éviter les courts-circuits. Une fois le bobinage terminé, le noyau est fixé avec du papier adhésif de fermeture pour empêcher le noyau de s'effondrer, puis passe au processus suivant. Dans ce processus, la clé est de garantir qu'il n'y a pas de contact physique entre les électrodes positives et négatives et que la feuille d'électrode négative peut recouvrir complètement la feuille d'électrode positive dans les directions horizontale et verticale.

Diagramme schématique du processus de bobinage
Dans le processus d'enroulement du noyau, généralement deux goupilles cylindriques serrent deux couches de diaphragme pour le pré-enroulement, puis alimentent tour à tour la pièce polaire positive ou négative, et la pièce polaire est serrée entre les deux couches de diaphragme pour l'enroulement. Dans la direction longitudinale du noyau, le diaphragme dépasse le diaphragme négatif et le diaphragme négatif dépasse le diaphragme positif, de manière à éviter le court-circuit de contact entre les diaphragmes positif et négatif.

Diagramme schématique du diaphragme de serrage de l'aiguille d'enroulement

Dessin physique de la bobineuse automatique

La bobineuse est l’équipement clé pour réaliser le processus de bobinage du noyau. En se référant au schéma ci-dessus, ses principaux composants et fonctions sont les suivants :

1. Système d'alimentation en pièces polaires : transportez les pièces polaires positives et négatives le long du rail de guidage jusqu'aux deux couches de diaphragme entre le côté AA et le côté BB respectivement pour assurer l'approvisionnement stable en pièces polaires.
2. Système de déroulement du diaphragme : il comprend des diaphragmes supérieurs et inférieurs pour réaliser l'alimentation automatique et continue des diaphragmes vers l'aiguille d'enroulement.
3. Système de contrôle de tension : pour contrôler la tension constante du diaphragme pendant le processus d'enroulement.
4. Système d'enroulement et de collage : pour coller et fixer les noyaux après enroulement.
5. Système de convoyeur de déchargement : démontez automatiquement les noyaux des aiguilles et déposez-les sur la bande transporteuse automatique.
6. Pédale : Lorsqu'il n'y a aucune condition anormale, appuyez sur la pédale pour contrôler le fonctionnement normal du remontage.
7. Interface d'interaction homme-machine : avec réglage des paramètres, débogage manuel, invites d'alarme et autres fonctions.

De l'analyse ci-dessus du processus d'enroulement, on peut voir que l'enroulement du noyau électrique contient deux maillons inévitables : pousser l'aiguille et tirer l'aiguille.
Processus de poussée de l'aiguille : les deux rouleaux d'aiguilles s'étendent sous l'action de la poussée du cylindre à aiguille, à travers les deux côtés du diaphragme, les deux rouleaux d'aiguilles formés par la combinaison du cylindre à aiguille inséré dans le manchon, les rouleaux d'aiguilles près du serrage du diaphragme, en même temps, les deux rouleaux d'aiguilles fusionnent pour former une forme fondamentalement symétrique, comme le noyau de l'enroulement du noyau.

Diagramme schématique du processus de poussée de l'aiguille

Processus de pompage de l'aiguille : une fois l'enroulement du noyau terminé, les deux aiguilles sont rétractées sous l'action du cylindre de pompage de l'aiguille, le cylindre de l'aiguille est retiré du manchon, la bille dans le dispositif à aiguille ferme l'aiguille sous l'action du ressort, et les deux aiguilles sont enroulées dans des directions opposées, et la taille de l'extrémité libre de l'aiguille est réduite pour former un certain espace entre l'aiguille et la surface interne du noyau, et avec l'aiguille rétractée par rapport au manchon de retenue, les aiguilles et le noyau peut être séparé en douceur.

Diagramme schématique du processus d'extraction de l'aiguille

L'« aiguille » dans le processus de poussée et de retrait de l'aiguille ci-dessus fait référence à l'aiguille qui, en tant que composant central de la bobineuse, a un impact significatif sur la vitesse d'enroulement et la qualité du noyau. Actuellement, la plupart des bobineuses utilisent des aiguilles rondes, ovales et plates en forme de diamant. Pour les aiguilles rondes et ovales, en raison de l'existence d'un certain arc, cela entraînera une déformation de l'oreille polaire du noyau, lors du processus ultérieur de pressage du noyau, mais il sera également facile de provoquer un plissement interne et une déformation du noyau. Quant aux aiguilles plates en forme de losange, en raison de la grande différence de taille entre les axes longs et courts, la tension de la pièce polaire et du diaphragme varie considérablement, obligeant le moteur d'entraînement à s'enrouler à des vitesses variables, ce qui rend le processus difficile à contrôler. et la vitesse d'enroulement est généralement faible.

Diagramme schématique des aiguilles d'enroulement communes

Prenons comme exemple l'aiguille plate en forme de diamant la plus compliquée et la plus courante. Au cours de son enroulement et de sa rotation, les pièces polaires positives et négatives et le diaphragme sont toujours enroulés autour des six points d'angle de B, C, D, E, F. et G comme point d'appui.

Diagramme schématique de la rotation de l'aiguille d'enroulement plate en forme de diamant

Par conséquent, le processus d'enroulement peut être divisé en enroulement segmentaire avec OB, OC, OD, OE, OF, OG comme rayon, et il suffit d'analyser le changement de la vitesse de ligne dans les sept plages angulaires entre θ0, θ1, θ2, θ3, θ4, θ5, θ6 et θ7, afin de décrire de manière complètement quantitative le processus de rotation cyclique de l'aiguille d'enroulement.

Diagramme schématique des différents angles de rotation de l'aiguille

Sur la base de la relation trigonométrique, la relation correspondante peut être dérivée.

À partir de l'équation ci-dessus, il est facile de voir que lorsque l'aiguille de bobinage est enroulée à une vitesse angulaire constante, la vitesse linéaire de bobinage et l'angle formé entre le point d'appui de l'aiguille et les pièces polaires positives et négatives et le diaphragme sont dans une relation de fonction segmentée. La relation d'image entre les deux est simulée par Matlab comme suit :

Changements de vitesse d'enroulement sous différents angles

Il est intuitivement évident que le rapport entre la vitesse linéaire maximale et la vitesse linéaire minimale dans le processus d'enroulement de l'aiguille plate en forme de losange sur la figure peut être plus de 10 fois. Un changement aussi important dans la vitesse de ligne entraînera d'importantes fluctuations de la tension des électrodes positives et négatives et du diaphragme, qui sont la principale cause des fluctuations de la tension de l'enroulement. Une fluctuation excessive de tension peut entraîner un étirement du diaphragme pendant le processus d'enroulement, un rétrécissement du diaphragme après l'enroulement et un petit espacement des couches aux coins à l'intérieur du noyau après le pressage du noyau. Dans le processus de charge, l'expansion de la pièce polaire fait que la contrainte dans le sens de la largeur du noyau n'est pas concentrée, ce qui entraîne un moment de flexion, entraînant une distorsion de la pièce polaire, et la batterie au lithium préparée apparaît finalement "S " déformation.

Image CT et schéma de démontage du noyau déformé en "S"

À l'heure actuelle, afin de résoudre le problème de mauvaise qualité du noyau (principalement déformation) causé par la forme de l'aiguille d'enroulement, deux méthodes sont généralement utilisées : l'enroulement à tension variable et l'enroulement à vitesse variable.

1. Enroulement à tension variable : prenons comme exemple une batterie cylindrique. À vitesse angulaire constante, la vitesse linéaire augmente avec le nombre de couches d'enroulement, ce qui entraîne une augmentation de la tension. Enroulement à tension variable, c'est-à-dire grâce au système de contrôle de tension, de sorte que la tension appliquée à la pièce polaire ou au diaphragme avec l'augmentation du nombre de couches d'enroulement et la réduction linéaire, de sorte que dans le cas d'une vitesse de rotation constante, mais puisse toujours faire tout le processus d'enroulement de la tension autant que possible pour maintenir une constante. Un grand nombre d'expériences d'enroulement à tension variable ont conduit aux conclusions suivantes :
un. Plus la tension d'enroulement est faible, meilleur est l'effet d'amélioration sur la déformation du noyau.
b. Lors d'un enroulement à vitesse constante, à mesure que le diamètre du noyau augmente, la tension diminue linéairement avec un risque de déformation plus faible qu'avec un enroulement à tension constante.
2. Enroulement à vitesse variable : prenez comme exemple une cellule carrée, une aiguille d'enroulement plate en forme de diamant est généralement utilisée. Lorsque l’aiguille est enroulée à une vitesse angulaire constante, la vitesse linéaire fluctue considérablement, ce qui entraîne de grandes différences dans l’espacement des couches aux coins du noyau. À l'heure actuelle, la nécessité de changements de vitesse linéaires est la déduction inverse de la loi du changement de vitesse de rotation, c'est-à-dire l'enroulement de la vitesse de rotation avec le changement et le changement d'angle, afin de réaliser le processus d'enroulement des fluctuations de vitesse linéaire aussi petites Dans la mesure du possible, afin de garantir que les fluctuations de tension dans la plage de petites valeurs d'amplitude.

En bref, la forme de l'aiguille d'enroulement peut affecter la planéité de l'oreille polaire (rendement du noyau et performances électriques), la vitesse d'enroulement (productivité), l'uniformité des contraintes internes du noyau (problèmes de déformation d'apparence), etc. Pour les piles cylindriques, des aiguilles rondes sont généralement utilisées ; pour les batteries carrées, des aiguilles elliptiques ou rhombiques plates sont généralement utilisées (dans certains cas, des aiguilles rondes peuvent également être utilisées pour enrouler et aplatir le noyau afin de former un noyau carré). De plus, un grand nombre de données expérimentales montrent que la qualité des noyaux a un impact important sur les performances électrochimiques et les performances de sécurité de la batterie finale.

Sur cette base, nous avons résolu certaines préoccupations et précautions clés dans le processus d'enroulement des batteries au lithium, dans l'espoir d'éviter autant que possible des opérations inappropriées dans le processus d'enroulement, afin de fabriquer des batteries au lithium qui répondent aux exigences de qualité.

Afin de visualiser les défauts du noyau, le noyau peut être immergé dans de la résine époxy de colle AB pour le durcissement, puis la section transversale peut être coupée et polie avec du papier de verre. Il est préférable d'observer les échantillons préparés au microscope ou au microscope électronique à balayage, de manière à obtenir la cartographie des défauts internes de la carotte.

Carte des défauts internes du noyau
(a) La figure montre un noyau qualifié sans défauts internes évidents.
(b) Sur la figure, la pièce polaire est évidemment tordue et déformée, ce qui peut être lié à la tension de l'enroulement, la tension est trop importante pour provoquer des plis sur la pièce polaire, et ce type de défauts entraînera une détérioration de l'interface de la batterie et du lithium. précipitations, ce qui détériorera les performances de la batterie.
(c) Il y a une substance étrangère entre l'électrode et le diaphragme sur la figure. Ce défaut peut entraîner de graves autodécharges et même causer des problèmes de sécurité, mais il peut généralement être détecté lors du test Hi-pot.
(d) L'électrode de la figure présente un motif de défauts négatifs et positifs, ce qui peut entraîner une faible capacité ou une précipitation du lithium.
(e) L'électrode illustrée sur la figure contient de la poussière mélangée à l'intérieur, ce qui peut entraîner une autodécharge accrue de la batterie.

De plus, les défauts à l’intérieur du noyau peuvent également être caractérisés par des tests non destructifs, tels que les tests aux rayons X et par tomodensitométrie couramment utilisés. Ce qui suit est une brève introduction à certains défauts de processus courants :

1. Mauvaise couverture de la pièce polaire : la pièce polaire négative locale n'est pas entièrement recouverte de la pièce polaire positive, ce qui peut entraîner une déformation de la batterie et une précipitation du lithium, entraînant des risques potentiels pour la sécurité.

2. Déformation de la pièce polaire : la pièce polaire est déformée par extrusion, ce qui peut déclencher un court-circuit interne et entraîner de graves problèmes de sécurité.

Il convient de mentionner qu'en 2017, le cas sensationnel d'explosion du téléphone portable Samsung Note7, le résultat de l'enquête est dû au fait que l'électrode négative à l'intérieur de la batterie est pressée pour provoquer un court-circuit interne, provoquant ainsi l'explosion de la batterie, l'accident a causé l'électronique Samsung. perte de plus de 6 milliards de dollars.

3. Corps étrangers métalliques : les corps étrangers métalliques sont la performance du tueur de batterie lithium-ion, ils peuvent provenir de la pâte, de l'équipement ou de l'environnement. De plus grosses particules de corps étrangers métalliques peuvent directement provoquer un court-circuit physique, et lorsque des corps étrangers métalliques sont mélangés à l'électrode positive, ils seront oxydés puis déposés sur la surface de l'électrode négative, perçant le diaphragme et provoquant finalement un court-circuit dans la batterie, ce qui présente un grave danger pour la sécurité. Les matières étrangères métalliques courantes sont Fe, Cu, Zn, Sn, etc.

La bobineuse de batterie au lithium est utilisée pour enrouler des cellules de batterie au lithium, qui est une sorte d'équipement permettant d'assembler une feuille d'électrode positive, une feuille d'électrode négative et un diaphragme dans un pack central (JR : JellyRoll) par rotation continue. L'équipement de fabrication de bobinages nationaux a débuté en 2006, depuis le bobinage rond semi-automatique, le bobinage carré semi-automatique, la production automatisée de films, puis s'est développé en automatisation combinée, bobineuse de film, bobineuse de découpe laser, bobineuse continue d'anode, bobineuse continue à diaphragme. machine, et ainsi de suite.

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1. Découpe de haute précision : garantit la taille précise de la pièce polaire et du diaphragme, réduit le gaspillage de matériaux et améliore la cohérence de la batterie.
2. Enroulement stable : le mécanisme d'enroulement et le système de contrôle optimisés assurent une structure de base serrée et stable, réduisent la résistance interne et améliorent les performances de la batterie.
3. Nivellement à haute efficacité : la conception de nivellement unique rend la surface des noyaux plate, réduit les contraintes internes inégales et prolonge la durée de vie de la batterie.
4. Contrôle intelligent : équipé d'une interface d'interaction homme-machine avancée, il réalise un réglage précis des paramètres et une surveillance en temps réel, une utilisation et une maintenance faciles.
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