Avvolgitrice per batterie al litio: principi, processi chiave e linee guida per il controllo qualità

Nel processo di produzione delle batterie agli ioni di litio, esistono solitamente diversi modi per suddividere il processo. Il processo può essere suddiviso in tre processi principali: produzione di elettrodi, processo di assemblaggio e test delle celle (come mostrato nella figura seguente), e ci sono anche aziende che lo dividono in processi di pre-avvolgimento e post-avvolgimento, e questo punto di demarcazione è il processo di avvolgimento. A causa della sua forte funzione di integrazione, la batteria può far sembrare lo stampaggio iniziale, quindi il processo di avvolgimento nella produzione di batterie agli ioni di litio ha un ruolo fondamentale, è la chiave, il processo di avvolgimento prodotto dal nucleo laminato viene spesso definito nudo cella della batteria (Jelly-Roll, denominata JR).

Processo di produzione delle batterie agli ioni di litio
Nel processo di produzione delle batterie agli ioni di litio, il processo di avvolgimento del nucleo è illustrato come segue. L'operazione specifica consiste nell'arrotolare insieme l'espansione polare positiva, l'espansione polare negativa e la pellicola isolante attraverso il meccanismo ad ago dell'avvolgitrice e le espansioni polari positiva e negativa adiacenti vengono isolate dalla pellicola isolante per evitare cortocircuiti. Una volta terminato l'avvolgimento, il nucleo viene fissato con carta adesiva di chiusura per evitare che il nucleo si sfaldi, quindi passa al processo successivo. In questo processo, la chiave è garantire che non vi sia contatto fisico tra gli elettrodi positivi e negativi e che il foglio dell'elettrodo negativo possa coprire completamente il foglio dell'elettrodo positivo sia in direzione orizzontale che verticale.

Diagramma schematico del processo di avvolgimento
Nel processo di avvolgimento del nucleo, generalmente due perni elastici bloccano due strati di diaframma per il preavvolgimento, quindi alimentano a turno l'espansione polare positiva o negativa e l'espansione polare viene bloccata tra i due strati di diaframma per l'avvolgimento. Nella direzione longitudinale del nucleo, il diaframma supera il diaframma negativo e il diaframma negativo supera il diaframma positivo, in modo da evitare il cortocircuito di contatto tra i diaframmi positivo e negativo.

Diagramma schematico del diaframma di bloccaggio dell'ago di avvolgimento

Disegno fisico della bobinatrice automatica

L'avvolgitrice è l'attrezzatura chiave per realizzare il processo di avvolgimento del nucleo. Facendo riferimento allo schema precedente, i suoi componenti e funzioni principali sono i seguenti:

1. Sistema di alimentazione dell'espansione polare: convogliare le espansioni polari positive e negative lungo la guida fino ai due strati di diaframma rispettivamente tra il lato AA e il lato BB per garantire l'alimentazione stabile delle espansioni polari.
2. Sistema di svolgimento del diaframma: comprende i diaframmi superiore e inferiore per realizzare l'alimentazione automatica e continua dei diaframmi all'ago di avvolgimento.
3. Sistema di controllo della tensione: per controllare la tensione costante del diaframma durante il processo di avvolgimento.
4. Sistema di avvolgimento e incollaggio: per incollare e fissare le anime dopo l'avvolgimento.
5. Sistema di trasporto di scarico: smontare automaticamente le anime dagli aghi e lasciarle cadere sul nastro trasportatore automatico.
6. Interruttore a pedale: quando non sono presenti condizioni anomale, premere l'interruttore a pedale per controllare il normale funzionamento dell'avvolgimento.
7. Interfaccia di interazione uomo-computer: con impostazione dei parametri, debug manuale, richieste di allarme e altre funzioni.

Dall'analisi sopra del processo di avvolgimento, si può vedere che l'avvolgimento del nucleo elettrico contiene due collegamenti inevitabili: spingere l'ago e tirare l'ago.
Processo di spinta dell'ago: i due rulli di aghi si estendono sotto l'azione della spinta del cilindro dell'ago, attraverso entrambi i lati del diaframma, i due rulli di aghi formati dalla combinazione del cilindro dell'ago inserito nella manica, i rulli di aghi vicino a serrare il diaframma, contemporaneamente, i due rullini di aghi si fondono per formare una forma sostanzialmente simmetrica, come il nucleo dell'avvolgimento del nucleo.

Diagramma schematico del processo di spinta dell'ago

Processo di pompaggio dell'ago: una volta completato l'avvolgimento del nucleo, i due aghi vengono retratti sotto l'azione del cilindro di pompaggio dell'ago, il cilindro dell'ago viene ritirato dal manicotto, la sfera nel dispositivo dell'ago chiude l'ago sotto l'azione della molla, e i due aghi sono avvolti in direzioni opposte, e la dimensione dell'estremità libera dell'ago è ridotta per formare un certo spazio tra l'ago e la superficie interna del nucleo, e con l'ago retratto rispetto al manicotto di ritenzione, gli aghi e il nucleo può essere facilmente separato.

Diagramma schematico del processo di estrazione dell'ago

L'"ago" nel processo di spinta ed estrazione dell'ago sopra si riferisce all'ago che, in quanto componente principale della macchina avvolgitrice, ha un impatto significativo sulla velocità di avvolgimento e sulla qualità dell'anima. Attualmente, la maggior parte delle macchine avvolgitrici utilizza aghi rotondi, ovali e piatti a forma di diamante. Per gli aghi rotondi e ovali, a causa dell'esistenza di un certo arco, porterà alla deformazione dell'orecchio polare del nucleo, nel successivo processo di pressatura del nucleo, ma è anche facile causare increspature interne e deformazione del nucleo. Per quanto riguarda gli aghi piatti a forma di diamante, a causa della grande differenza di dimensioni tra l'asse lungo e quello corto, la tensione dell'espansione polare e del diaframma varia in modo significativo, richiedendo che il motore di azionamento si avvolga a velocità variabili, il che rende il processo difficile da controllare. e la velocità di avvolgimento è generalmente bassa.

Diagramma schematico degli aghi di avvolgimento comuni

Prendiamo come esempio l'ago piatto a forma di diamante più complicato e comune, nel processo di avvolgimento e rotazione, le espansioni polari positive e negative e il diaframma sono sempre avvolti attorno ai sei punti d'angolo di B, C, D, E, F e G come punto di supporto.

Rappresentazione schematica della rotazione dell'ago di avvolgimento a forma di diamante piatto

Pertanto, il processo di avvolgimento può essere suddiviso in avvolgimento segmentale con raggio OB, OC, OD, OE, OF, OG e deve solo analizzare la variazione della velocità della linea nei sette intervalli angolari compresi tra θ0, θ1, θ2, θ3, θ4, θ5, θ6 e θ7, al fine di descrivere quantitativamente in modo completo il processo di rotazione ciclica dell'ago di avvolgimento.

Diagramma schematico di diversi angoli di rotazione dell'ago

Sulla base della relazione trigonometrica, è possibile derivare la relazione corrispondente.

Dall'equazione di cui sopra, è facile vedere che quando l'ago di avvolgimento viene avvolto a una velocità angolare costante, la velocità lineare di avvolgimento e l'angolo formato tra il punto di supporto dell'ago e le espansioni polari positive e negative e il diaframma sono in una relazione di funzione segmentata. La relazione dell'immagine tra i due è simulata da Matlab come segue:

Variazioni della velocità di avvolgimento a diverse angolazioni

È intuitivamente ovvio che il rapporto tra la velocità lineare massima e la velocità lineare minima nel processo di avvolgimento dell'ago piatto a forma di diamante nella figura può essere più di 10 volte. Una variazione così grande nella velocità della linea causerà grandi fluttuazioni nella tensione degli elettrodi positivo e negativo e del diaframma, che è la causa principale delle fluttuazioni nella tensione dell'avvolgimento. Un'eccessiva fluttuazione della tensione può portare all'allungamento del diaframma durante il processo di avvolgimento, al restringimento del diaframma dopo l'avvolgimento e ad una piccola spaziatura degli strati agli angoli all'interno dell'anima dopo la pressatura dell'anima. Nel processo di carica, l'espansione dell'espansione polare provoca una tensione non concentrata nella direzione della larghezza del nucleo, con conseguente momento flettente, con conseguente distorsione dell'espansione polare e la batteria al litio preparata alla fine appare "S "deformazione.

Immagine TC e schema di smontaggio del nucleo deformato a "S".

Attualmente, per risolvere il problema della scarsa qualità del nucleo (principalmente deformazione) causato dalla forma dell'ago di avvolgimento, vengono solitamente utilizzati due metodi: avvolgimento a tensione variabile e avvolgimento a velocità variabile.

1. Avvolgimento a tensione variabile: prendiamo come esempio una batteria cilindrica, con velocità angolare costante, la velocità lineare aumenta con il numero di strati di avvolgimento, il che porta ad un aumento della tensione. Avvolgimento a tensione variabile, cioè attraverso il sistema di controllo della tensione, in modo che la tensione applicata all'espansione polare o al diaframma con l'aumento del numero di strati di avvolgimento e riduzione lineare, in modo che in caso di velocità di rotazione costante, ma possa comunque fare in modo che l'intero processo di avvolgimento della tensione mantenga una tensione il più possibile costante. Un gran numero di esperimenti sugli avvolgimenti a tensione variabile hanno portato alle seguenti conclusioni:
UN. Minore è la tensione di avvolgimento, migliore è l'effetto di miglioramento sulla deformazione del nucleo.
B. Durante l'avvolgimento a velocità costante, all'aumentare del diametro del nucleo, la tensione diminuisce linearmente con un rischio di deformazione inferiore rispetto all'avvolgimento a tensione costante.
2. Avvolgimento a velocità variabile: prendiamo come esempio la cella quadrata, solitamente viene utilizzato un ago di avvolgimento piatto a forma di diamante. Quando l'ago viene avvolto a una velocità angolare costante, la velocità lineare fluttua in modo significativo, determinando grandi differenze nella spaziatura degli strati agli angoli del nucleo. In questo momento, la necessità di cambiamenti di velocità lineare deduce inversa la legge di cambiamento della velocità di rotazione, cioè l'avvolgimento della velocità di rotazione con il cambiamento e il cambiamento dell'angolo, al fine di realizzare il processo di avvolgimento delle fluttuazioni della velocità lineare come piccole il più possibile, in modo da garantire che le fluttuazioni di tensione rientrino nell'intervallo di valori di ampiezza ridotti.

In breve, la forma dell'ago di avvolgimento può influenzare la planarità dell'orecchio polare (resa del nucleo e prestazioni elettriche), velocità di avvolgimento (produttività), uniformità delle sollecitazioni interne del nucleo (problemi di deformazione dell'aspetto) e così via. Per le batterie cilindriche vengono solitamente utilizzati aghi rotondi; per le batterie quadrate si utilizzano solitamente aghi ellittici o rombici piatti (in alcuni casi si possono utilizzare anche aghi rotondi per avvolgere e appiattire il nucleo per formare un nucleo quadrato). Inoltre, una grande quantità di dati sperimentali mostrano che la qualità dei nuclei ha un impatto importante sulle prestazioni elettrochimiche e sulle prestazioni di sicurezza della batteria finale.

Sulla base di ciò, abbiamo risolto alcune preoccupazioni e precauzioni chiave nel processo di avvolgimento delle batterie al litio, nella speranza di evitare il più possibile operazioni improprie nel processo di avvolgimento, in modo da produrre batterie al litio che soddisfino i requisiti di qualità.

Per visualizzare i difetti del nucleo, il nucleo può essere immerso nella resina epossidica colla AB per la polimerizzazione, quindi la sezione trasversale può essere tagliata e lucidata con carta vetrata. È preferibile osservare i campioni preparati al microscopio o al microscopio elettronico a scansione, in modo da ottenere la mappatura dei difetti interni del nucleo.

Mappa dei difetti interni del nucleo
(a) La figura mostra un nucleo qualificato senza difetti interni evidenti.
(b) Nella figura, l'espansione polare è ovviamente attorcigliata e deformata, il che potrebbe essere correlato alla tensione dell'avvolgimento, la tensione è troppo grande per causare grinze sull'espansione polare e questo tipo di difetti causerà il deterioramento dell'interfaccia della batteria e il litio precipitazioni, che deterioreranno le prestazioni della batteria.
(c) È presente una sostanza estranea tra l'elettrodo e il diaframma nella figura. Questo difetto può portare a gravi autoscaricamenti e persino causare problemi di sicurezza, ma di solito può essere rilevato con il test Hi-pot.
(d) L'elettrodo nella figura presenta uno schema di difetti negativo e positivo, che può portare a una bassa capacità o alla precipitazione del litio.
(e) L'elettrodo nella figura contiene polvere mescolata all'interno, che può portare ad un aumento dell'autoscarica della batteria.

Inoltre, i difetti all'interno del nucleo possono essere caratterizzati anche mediante test non distruttivi, come i test a raggi X e TC comunemente utilizzati. Quella che segue è una breve introduzione ad alcuni difetti comuni dei processi principali:

1. Scarsa copertura dell'espansione polare: l'espansione polare negativa locale non è completamente coperta dall'espansione polare positiva, il che potrebbe portare alla deformazione della batteria e alla precipitazione del litio, con conseguenti potenziali rischi per la sicurezza.

2. Deformazione dell'espansione polare: l'espansione polare viene deformata dall'estrusione, il che può innescare un cortocircuito interno e comportare seri problemi di sicurezza.

Vale la pena ricordare che nel 2017, il sensazionale caso di esplosione del telefono cellulare Samsung Note7, il risultato dell'indagine è dovuto al fatto che l'elettrodo negativo all'interno della batteria viene schiacciato per provocare un cortocircuito interno, provocando così l'esplosione della batteria, l'incidente causato dall'elettronica Samsung perdita di oltre 6 miliardi di dollari.

3. Corpi estranei metallici: i corpi estranei metallici rappresentano la prestazione della batteria agli ioni di litio e possono provenire dalla pasta, dall'attrezzatura o dall'ambiente. Particelle più grandi di corpi estranei metallici possono causare direttamente un cortocircuito fisico e, quando corpi estranei metallici vengono mescolati nell'elettrodo positivo, verranno ossidati e quindi depositati sulla superficie dell'elettrodo negativo, perforando il diaframma e, infine, causando un danno interno. cortocircuito nella batteria, che costituisce un grave pericolo per la sicurezza. I metalli estranei comuni sono Fe, Cu, Zn, Sn e così via.

L'avvolgitore per batterie al litio viene utilizzato per avvolgere le celle della batteria al litio, che è un tipo di attrezzatura per assemblare il foglio di elettrodi positivi, il foglio di elettrodi negativi e il diaframma in un pacco centrale (JR: JellyRoll) mediante rotazione continua. Le apparecchiature per la produzione di avvolgimenti domestici sono iniziate nel 2006, dall'avvolgimento semiautomatico rotondo, semiautomatico quadrato, produzione automatizzata di film, per poi svilupparsi in automazione combinata, avvolgitrice per pellicola, avvolgitrice per fustellatura laser, avvolgitrice continua anodica, avvolgimento continuo a diaframma macchina e così via.

Qui, consigliamo in particolare la fustellatura laser Yixinfeng, l'avvolgimento e la macchina piana di spinta. Questa macchina combina una tecnologia avanzata di fustellatura laser, un processo di avvolgimento efficiente e una funzione di spinta precisa, che può migliorare notevolmente l'efficienza produttiva e la qualità della batteria al litio. Presenta i seguenti vantaggi significativi:


1. Fustellatura ad alta precisione: garantisce la dimensione precisa dell'espansione polare e del diaframma, riduce gli sprechi di materiale e migliora la consistenza della batteria.
2. Avvolgimento stabile: il meccanismo di avvolgimento e il sistema di controllo ottimizzati garantiscono una struttura centrale stretta e stabile, riducono la resistenza interna e migliorano le prestazioni della batteria.
3. Livellamento ad alta efficienza: l'esclusivo design di livellamento rende piatta la superficie dei nuclei, riduce lo stress interno irregolare e prolunga la durata della batteria.
4. Controllo intelligente: dotato di un'interfaccia avanzata di interazione uomo-computer, realizza un'impostazione accurata dei parametri e un monitoraggio in tempo reale, un funzionamento semplice e una facile manutenzione.
5. Ampia gamma di compatibilità: può anche eseguire 18, 21, 32, 46, 50, 60 tutti i modelli di celle della batteria, per soddisfare le diverse esigenze di produzione.

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