リチウム電池巻取機: 原理、主要プロセス、品質管理ガイドライン

リチウムイオン電池の製造工程では、通常いくつかの工程に分けられます。工程は大きく電極製造、組立工程、セル試験の3工程に分けられますが（下図）、巻線前工程と巻線後工程に分けている企業もあり、その分界点は巻き工程。強力な統合機能により、電池の外観の初期成形を行うことができるため、リチウムイオン電池製造における重要な役割を担う巻線プロセスが重要であり、巻かれたコアによって生成される巻線プロセスは、しばしばベアと呼ばれます。バッテリーセル（Jelly-Roll、JRと呼ばれます）。

リチウムイオン電池の製造工程
リチウムイオン電池の製造工程のうち、芯を巻く工程を図示すると次のようになります。具体的な操作は、巻線機のニードル機構によって正極片、負極片、絶縁フィルムを一緒に巻き取り、隣接する正極片と負極片は短絡を防ぐために絶縁フィルムによって絶縁されます。巻き終わったコアはバラさないように封止粘着紙で固定され、次の工程へ流れます。このプロセスでは、正極と負極の間に物理的な接触がなく、負極シートが正極シートを水平方向と垂直方向の両方で完全に覆うことが重要です。

巻線工程の模式図
コアの巻線プロセスでは、一般に 2 つのロールピンで 2 層の振動板をクランプして予備巻線し、次に正または負のポールピースを順番に送り、ポールピースを 2 層の振動板の間に挟んで巻線します。コアの長手方向において、ダイヤフラムは負のダイヤフラムを超え、負のダイヤフラムは正のダイヤフラムを超え、正と負のダイヤフラム間の接触短絡を回避します。

巻針クランプダイヤフラムの模式図

自動巻線機の外観図

巻線機はコアの巻取り工程を実現するための重要な設備です。上の図を参照すると、その主なコンポーネントと機能は次のとおりです。

1. ポールピース供給システム: プラスとマイナスのポールピースをガイドレールに沿って、AA 側と BB 側の間の 2 層のダイヤフラムにそれぞれ搬送し、ポールピースの安定供給を確保します。
2. ダイヤフラム巻き戻しシステム: 上下のダイヤフラムを備え、巻き取り針へのダイヤフラムの自動かつ連続的な供給を実現します。
3. 張力制御システム: 巻き取りプロセス中のダイヤフラムの一定の張力を制御します。
4. 巻き付けおよび接着システム: 巻き付け後のコアの接着および固定用。
5.アンローディングコンベアシステム：針からコアを自動的に取り外し、自動コンベアベルトに落とします。
6. フットスイッチ：異常がない場合は、フットスイッチを踏むと通常の巻き取り動作が制御されます。
7. 人間とコンピュータの対話インターフェイス: パラメータ設定、手動デバッグ、アラーム プロンプトおよびその他の機能を備えています。

巻線プロセスの上記の分析から、電気コアの巻線には、針を押すことと針を引くという 2 つの避けられないリンクが含まれていることがわかります。
針を押すプロセス: 針シリンダーを押すと、2 つの針のロールがダイアフラムの両側を通って伸びます。2 つの針のロールは、スリーブに挿入された針シリンダーと針のロールの組み合わせによって形成されます。ダイアフラムをクランプするのに近づくと同時に、2 つの針のロールが結合して、コア巻線のコアとして基本的に対称な形状を形成します。

針押し工程の模式図

ニードルポンピングプロセス：コアの巻き取りが完了した後、ニードルポンピングシリンダーの作用で2本のニードルが後退し、ニードルシリンダーがスリーブから引き抜かれ、ニードルデバイス内のボールがバネの作用でニードルを閉じます。 2 本の針は反対方向に巻かれ、針の自由端のサイズが減少して針とコアの内面の間に一定の隙間が形成され、針が保持スリーブに対して後退すると、針とコアの内面の間に一定の隙間が形成されます。芯をスムーズに切り離すことができます。

針抜き工程の模式図

上記の針の押し出し・引き抜きの工程における「針」とは、ワインディングマシーンの心臓部となる部品であり、巻き取り速度やコアの品質に大きな影響を与える針のことを指します。現在、ワインディングマシーンの多くは丸針、楕円針、平ひし形の針を使用しています。丸針や楕円針の場合、一定の円弧が存在するため、その後のコアプレス工程でコアの極耳が変形するだけでなく、コアの内部にしわや変形も発生しやすくなります。平菱形針の場合、長軸と短軸のサイズ差が大きいため、ポールピースと振動板の張力が大きく変化し、駆動モーターを可変速度で巻き上げる必要があり、プロセスの制御が困難になります。そして巻き取り速度は通常低速です。

一般的な巻針の模式図

最も複雑で一般的な平らなダイヤモンド形の針を例にとると、その巻き上げと回転の過程で、プラスとマイナスのポールピースと振動板は常にB、C、D、E、Fの6つのコーナーポイントの周りに巻き付けられます。サポートポイントとしてG。

平菱形巻針回転の模式図

したがって、巻線工程を OB、OC、OD、OE、OF、OG を半径とする部分巻線に分割し、θ0、θ1、θ2、巻針の周期的な回転過程を完全に定量的に記述するために、θ3、θ4、θ5、θ6、およびθ7。

針の回転のさまざまな角度の概略図

三角関係に基づいて対応関係を導き出すことができます。

上式から、巻線針が一定の角速度で巻かれるとき、巻線の線速度と、針の支点と正負の磁極片および振動板とがなす角度は、セグメント化された機能関係の中で。 2 つの画像の関係は、Matlab によって次のようにシミュレートされます。

角度による巻き取り速度の変化

図の平菱形針の巻き取り過程における最大線速度と最小線速度の比は、１０倍を超える可能性があることが直感的に明らかである。このような大きなライン速度の変化は、正極、負極および振動板の張力に大きな変動をもたらし、これが巻線張力変動の主な原因となる。過度の張力変動は、巻線プロセス中のダイヤフラムの伸び、巻線後のダイヤフラムの収縮、およびコアのプレス後のコア内部のコーナーでの層間隔の減少を引き起こす可能性があります。充電過程において、ポールピースの膨張によりコアの幅方向の応力が集中せず、曲げモーメントが発生し、ポールピースに歪みが生じ、最終的に準備されたリチウム電池が「S」状態になります。 「変形。

S字変形コアのCT画像と分解図

現在、巻針の形状に起因するコアの品質不良（主に変形）の問題を解決するために、通常、可変張力巻線と可変速巻線の2つの方法が使用されています。

1. 可変張力巻線: 円筒形電池を例に挙げると、角速度が一定の場合、巻線層の数に応じて線速度が増加し、張力が上昇します。可変張力巻線、つまり張力制御システムにより、巻線層の数の増加と線形の減少によってポールピースまたは振動板にかかる張力が変化するため、一定の回転速度の場合でも、巻き取りプロセス全体の張力を可能な限り一定に保つようにしてください。多数の可変張力巻線実験により、次の結論が得られました。
ａ．巻線張力が小さいほどコア変形の改善効果が高くなります。
b.等速巻線中は、コア径が大きくなるにつれて張力が直線的に減少し、定張力巻線よりも変形の危険性が低くなります。
2. 可変速巻線：角形セルを例にとると、通常は平らなダイヤモンド形の巻線針が使用されます。針が一定の角速度で巻かれると、線速度が大きく変動し、その結果、コアの角での層間隔に大きな差が生じます。このとき、線速度変化の必要性は、線速度変動の小さい巻き上げ過程を実現するために、回転速度の変化の法則、つまり角度変化と変化に伴う回転速度の巻き上げを逆推論する必要がある。張力変動が小さな振幅値の範囲になるように、できるだけ張力を調整してください。

つまり、巻線針の形状は、極耳の平坦度（コアの歩留まりと電気的性能）、巻線速度（生産性）、コアの内部応力の均一性（外観の変形問題）などに影響を与える可能性があります。円筒形電池の場合、通常は丸い針が使用されます。角形電池の場合、通常、楕円形または平らな菱形の針が使用されます（場合によっては、丸い針を使用してコアを巻き付けて平らにし、正方形のコアを形成することもできます）。さらに、大量の実験データは、コアの品質が最終的なバッテリーの電気化学的性能と安全性能に重要な影響を与えることを示しています。

これを踏まえ、リチウム電池の巻回工程における留意点や注意事項を整理し、巻回工程における不適切な作業を極力回避し、品質要求を満たすリチウム電池を製造することを目指しています。

コアの欠陥を視覚化するには、コアをAB接着剤エポキシ樹脂に浸して硬化させ、断面を切断してサンドペーパーで研磨します。コアの内部欠陥マッピングを取得するには、準備したサンプルを顕微鏡または走査型電子顕微鏡で観察するのが最善です。

コアの内部欠陥マップ
(a) この図は、明らかな内部欠陥のない認定済みのコアを示しています。
(b) 図では、ポールピースが明らかにねじれて変形していますが、これは巻線の張力に関係している可能性があり、張力が大きすぎてポールピースにしわが生じ、この種の欠陥によりバッテリーインターフェースが劣化し、リチウムが消耗します。雨が降るとバッテリーの性能が低下します。
(c) 図では電極とダイヤフラムの間に異物があります。この欠陥は深刻な自己放電を引き起こし、さらには安全上の問題を引き起こす可能性がありますが、通常はハイポットテストで検出できます。
(d) 図の電極には負極と正極の欠陥パターンがあり、容量低下やリチウムの析出を引き起こす可能性があります。
(e) 図の電極内にゴミが混入しており、電池の自己放電が増加する可能性があります。

さらに、コア内部の欠陥は、一般的に使用される X 線検査や CT 検査などの非破壊検査によっても特徴づけることができます。以下に、いくつかの一般的なコアプロセスの欠陥を簡単に紹介します。

1. 磁極片の被覆が不十分: 局所的な負極片が正極片で完全に覆われていないため、バッテリーの変形やリチウムの析出が発生し、安全上の危険が生じる可能性があります。

2. ポールピースの変形: ポールピースは押し出しによって変形し、内部短絡を引き起こし、重大な安全上の問題を引き起こす可能性があります。

2017年にセンセーショナルなサムスンノート7携帯電話爆発事件が発生しましたが、調査の結果、バッテリー内の負極が圧迫されて内部短絡が発生し、バッテリーが爆発したことが原因であり、サムスン電子が事故を引き起こしたことは言及する価値があります。 60億ドル以上の損失。

3. 金属異物：金属異物はリチウムイオン電池キラーの性能であり、ペースト、機器、または環境に由来する可能性があります。金属異物の粒子が大きいと物理的短絡を直接引き起こす可能性があり、金属異物が正極に混入すると酸化して負極表面に堆積し、隔膜を突き破って内部ショートを引き起こす可能性があります。バッテリーのショートが発生し、安全上重大な危険が生じます。一般的な金属異物としては、Fe、Cu、Zn、Snなどが挙げられます。

リチウム電池巻線機は、リチウム電池セルを巻き取るために使用され、連続回転によって正極シート、負極シート、隔膜をコアパック（JR：JellyRoll）に組み立てる装置の一種です。国内巻線製造設備は2006年にスタートし、半自動丸巻、半自動角巻、自動フィルム生産から複合自動化、フィルム巻取機、レーザーダイカット巻取機、陽極連続巻取機、ダイヤフラム連続巻取に発展しました。マシンなど。

ここでは、Yixinfeng レーザーダイカット巻線および押し平ら機械を特にお勧めします。この機械は、高度なレーザーダイカット技術、効率的な巻き取りプロセス、正確な押し込み機能を組み合わせており、リチウム電池の生産効率と品質を大幅に向上させることができます。これには次のような大きな利点があります。


1. 高精度ダイカット: ポールピースとダイアフラムの正確なサイズを確保し、材料の無駄を削減し、バッテリーの一貫性を向上させます。
2.安定した巻線：最適化された巻線機構と制御システムにより、タイトで安定したコア構造が保証され、内部抵抗が低減され、バッテリー性能が向上します。
3.高効率レベリング：独自のレベリング設計により、コアの表面が平坦になり、不均一な内部応力が軽減され、バッテリー寿命が延長されます。
4.インテリジェント制御：高度なヒューマンコンピュータインタラクションインターフェイスを備え、正確なパラメータ設定とリアルタイムモニタリング、簡単な操作と簡単なメンテナンスを実現します。
5.幅広い互換性: 18、21、32、46、50、60 のすべてのモデルのバッテリーセルを使用することもでき、多様な生産ニーズに対応します。

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