Maszyna do nawijania baterii litowej: zasady, kluczowe procesy i wytyczne dotyczące kontroli jakości

W procesie produkcyjnym akumulatorów litowo-jonowych istnieje zwykle kilka sposobów podziału procesu. Proces ten można podzielić na trzy główne procesy: produkcję elektrod, proces montażu i testowanie ogniw (jak pokazano na poniższym rysunku), ale są też firmy, które dzielą go na procesy przed nawijaniem i po nawijaniu, a tym punktem rozgraniczenia jest proces nawijania. Ze względu na silną funkcję integracji, może sprawić, że wygląd baterii będzie początkowo formowany, dlatego proces nawijania w produkcji baterii litowo-jonowych odgrywa kluczową rolę, proces nawijania wytwarzany przez walcowany rdzeń jest często określany jako goły ogniwo akumulatorowe (Jelly-Roll, określane jako JR).

Proces produkcji baterii litowo-jonowych
W procesie produkcji akumulatora litowo-jonowego proces uzwojenia rdzenia przedstawiono w następujący sposób. Specyficzna operacja polega na zwinięciu razem bieguna dodatniego, bieguna ujemnego i folii izolacyjnej przez mechanizm igłowy maszyny nawijającej, a sąsiadujące ze sobą bieguny dodatni i ujemny są izolowane przez folię izolacyjną, aby zapobiec zwarciu. Po zakończeniu nawijania rdzeń mocuje się papierem samoprzylepnym zamykającym, aby zapobiec rozpadaniu się rdzenia, a następnie przechodzi do następnego procesu. W tym procesie najważniejsze jest zapewnienie, że pomiędzy elektrodą dodatnią i ujemną nie ma fizycznego kontaktu oraz że arkusz elektrody ujemnej może całkowicie przykryć arkusz elektrody dodatniej, zarówno w kierunku poziomym, jak i pionowym.

Schemat ideowy procesu nawijania
W procesie nawijania rdzenia zwykle dwa kołki walcowe zaciskają dwie warstwy membrany w celu wstępnego nawinięcia, a następnie kolejno podają dodatni lub ujemny nabiegunnik, a nabiegunnik jest zaciskany pomiędzy dwiema warstwami membrany w celu nawinięcia. W kierunku wzdłużnym rdzenia membrana przekracza membranę ujemną, a membrana ujemna przekracza membranę dodatnią, aby uniknąć zwarcia stykowego między membraną dodatnią i ujemną.

Schemat ideowy membrany mocującej igłę nawojową

Rysunek fizyczny automatycznej maszyny nawijającej

Nawijarka jest kluczowym sprzętem do realizacji procesu nawijania rdzenia. Odnosząc się do powyższego schematu, jego główne elementy i funkcje są następujące:

1. System zasilania nabiegunników: przeprowadź dodatnie i ujemne nabiegunniki wzdłuż szyny prowadzącej do dwóch warstw membrany, odpowiednio, pomiędzy stroną AA i stroną BB, aby zapewnić stabilne zasilanie nabiegunników.
2. System rozwijania membrany: Zawiera górną i dolną membranę, aby zapewnić automatyczne i ciągłe dostarczanie membran do igły nawijającej.
3. System kontroli naprężenia: do kontroli stałego napięcia membrany podczas procesu nawijania.
4. System nawijania i klejenia: do sklejania i mocowania rdzeni po nawinięciu.
5. System przenośników rozładunkowych: Automatycznie zdemontuj rdzenie z igieł i upuść je na automatyczny przenośnik taśmowy.
6. Przełącznik nożny: Jeśli nie ma żadnych nienormalnych warunków, naciśnij przełącznik nożny, aby kontrolować normalne działanie uzwojenia.
7. Interfejs interakcji człowiek-komputer: z ustawianiem parametrów, ręcznym debugowaniem, monitami alarmowymi i innymi funkcjami.

Z powyższej analizy procesu nawijania widać, że uzwojenie rdzenia elektrycznego zawiera dwa nieuniknione ogniwa: popychanie igły i ciągnięcie igły.
Proces pchania igły: dwie rolki igieł rozciągają się pod działaniem pchającego cylindra igły, przez obie strony membrany, dwie rolki igieł utworzone przez kombinację cylindra igłowego włożonego do tulei, rolek igieł blisko zaciśnięcia membrany, jednocześnie dwie rolki igieł łączą się, tworząc zasadniczo symetryczny kształt, jako rdzeń uzwojenia rdzenia.

Schematyczny diagram procesu wpychania igły

Proces pompowania igłowego: po zakończeniu nawijania rdzenia obie igły cofają się pod działaniem cylindra pompującego igłę, cylinder igłowy jest wyciągany z tulei, kulka w urządzeniu igłowym zamyka igłę pod działaniem sprężyny, i dwie igły są zwinięte w przeciwnych kierunkach, a rozmiar wolnego końca igły zostaje zmniejszony, tworząc pewną szczelinę pomiędzy igłą a wewnętrzną powierzchnią rdzenia, a gdy igła jest cofnięta względem tulei ustalającej, igły i rdzeń można płynnie oddzielić.

Schematyczny diagram procesu ekstrakcji igły

Określenie „igła” w procesie pchania i wyciągania igły odnosi się do igły, która jako główny element nawijarki ma znaczący wpływ na prędkość nawijania i jakość rdzenia. Obecnie większość nawijarek wykorzystuje igły okrągłe, owalne i płaskie w kształcie rombu. W przypadku igieł okrągłych i owalnych, ze względu na istnienie pewnego łuku, w późniejszym procesie prasowania rdzenia doprowadzi to do odkształcenia ucha biegunowego rdzenia, ale także łatwo spowodować wewnętrzne marszczenie i deformację rdzenia. W przypadku igieł płaskich w kształcie rombu, ze względu na dużą różnicę wymiarów pomiędzy długą i krótką osią, napięcie nabiegunnika i membrany znacznie się zmienia, co wymaga nawijania silnika napędowego ze zmienną prędkością, co utrudnia kontrolowanie procesu, a prędkość nawijania jest zwykle niska.

Schemat ideowy typowych igieł nawojowych

Weźmy jako przykład najbardziej skomplikowaną i powszechną płaską igłę w kształcie rombu, w procesie jej nawijania i obracania dodatnie i ujemne bieguny oraz membrana są zawsze owinięte wokół sześciu punktów narożnych B, C, D, E, F i G jako punkt podparcia.

Schematyczny diagram obrotu płaskiej igły uzwojenia w kształcie rombu

Dlatego proces nawijania można podzielić na uzwojenie segmentowe z OB, OC, OD, OE, OF, OG jako promieniem i wystarczy przeanalizować zmianę prędkości linii w siedmiu zakresach kątowych pomiędzy θ0, θ1, θ2, θ3, θ4, θ5, θ6 i θ7, aby w pełni ilościowo opisać proces cyklicznego obrotu igły nawojowej.

Schematyczny diagram różnych kątów obrotu igły

Na podstawie zależności trygonometrycznej można wyprowadzić odpowiednią zależność.

Z powyższego równania łatwo zauważyć, że gdy igła uzwojenia jest nawinięta ze stałą prędkością kątową, prędkość liniowa uzwojenia i kąt utworzony pomiędzy punktem podparcia igły a dodatnim i ujemnym nabiegunnikiem oraz membraną wynoszą w segmentowanej relacji funkcji. Zależność obrazu między nimi jest symulowana przez Matlab w następujący sposób:

Zmiany prędkości nawijania pod różnymi kątami

Intuicyjnie oczywiste jest, że stosunek maksymalnej prędkości liniowej do minimalnej prędkości liniowej w procesie nawijania płaskiej igły w kształcie rombu na rysunku może być ponad 10-krotny. Tak duża zmiana prędkości linii będzie powodować duże wahania napięcia elektrody dodatniej i ujemnej oraz membrany, co jest główną przyczyną wahań napięcia uzwojenia. Nadmierne wahania naprężenia mogą prowadzić do rozciągnięcia membrany podczas procesu nawijania, skurczu membrany po nawinięciu i małych odstępów między warstwami w narożach wewnątrz rdzenia po sprasowaniu rdzenia. W procesie ładowania rozszerzanie nabiegunnika powoduje, że naprężenia w kierunku szerokości rdzenia nie są skupiane, co skutkuje powstaniem momentu zginającego, co skutkuje odkształceniem nabiegunnika, a przygotowana bateria litowa ostatecznie pojawia się jako „S” „deformacja.

Obraz CT i schemat demontażu zdeformowanego rdzenia „S”.

Obecnie, aby rozwiązać problem złej jakości rdzenia (głównie deformacji) spowodowanej kształtem igły nawojowej, stosuje się zwykle dwie metody: nawijanie ze zmiennym napięciem i nawijanie ze zmienną prędkością.

1. Uzwojenie o zmiennym napięciu: Weźmy na przykład akumulator cylindryczny, przy stałej prędkości kątowej prędkość liniowa wzrasta wraz z liczbą warstw uzwojenia, co prowadzi do wzrostu napięcia. Zmienne napięcie uzwojenia, czyli poprzez układ kontroli naprężenia, tak aby napięcie przyłożone do nabiegunnika lub membrany wraz ze wzrostem liczby warstw uzwojenia i liniową redukcją, tak aby przy stałej prędkości obrotowej, ale nadal mogło aby cały proces nawijania napięcia był jak najszerszy, aby utrzymać stałą wartość. Duża liczba eksperymentów z uzwojeniem o zmiennym napięciu doprowadziła do następujących wniosków:
A. Im mniejsze napięcie uzwojenia, tym lepszy wpływ na poprawę odkształcenia rdzenia.
B. Podczas nawijania ze stałą prędkością, wraz ze wzrostem średnicy rdzenia, naprężenie maleje liniowo z mniejszym ryzykiem odkształcenia niż przy nawijaniu ze stałym napięciem.
2. Nawijanie ze zmienną prędkością: Weźmy na przykład ogniwo kwadratowe, zwykle używa się płaskiej igły do ​​nawijania w kształcie rombu. Gdy igła jest nawinięta ze stałą prędkością kątową, prędkość liniowa ulega znacznym wahaniom, co skutkuje dużymi różnicami w odstępach warstw w narożach rdzenia. W tym momencie potrzeba zmiany prędkości liniowej, odwrotnego odliczenia prawa zmiany prędkości obrotowej, to znaczy uzwojenia prędkości obrotowej wraz ze zmianą kąta i zmianą, aby zrealizować proces nawijania wahań prędkości liniowej jako mały tak, aby zapewnić wahania napięcia w zakresie małej wartości amplitudy.

Krótko mówiąc, kształt igły uzwojenia może wpływać na płaskość ucha bieguna (wydajność rdzenia i parametry elektryczne), prędkość nawijania (produktywność), równomierność naprężeń wewnętrznych rdzenia (problemy z deformacją wyglądu) i tak dalej. W przypadku akumulatorów cylindrycznych zwykle stosuje się okrągłe igły; w przypadku akumulatorów kwadratowych zwykle stosuje się igły eliptyczne lub płaskie rombowe (w niektórych przypadkach można również użyć okrągłych igieł do nawinięcia i spłaszczenia rdzenia w celu utworzenia kwadratowego rdzenia). Ponadto duża ilość danych doświadczalnych pokazuje, że jakość rdzeni ma istotny wpływ na parametry elektrochemiczne i bezpieczeństwo finalnego akumulatora.

Na tej podstawie wyjaśniliśmy kilka kluczowych problemów i środków ostrożności w procesie nawijania baterii litowych, mając nadzieję, że w jak największym stopniu unikniemy nieprawidłowych operacji w procesie nawijania, aby wyprodukować baterie litowe spełniające wymagania jakościowe.

W celu uwidocznienia wad rdzenia rdzeń można zanurzyć w żywicy epoksydowej klejącej AB w celu utwardzenia, a następnie przekrój można wyciąć i wypolerować papierem ściernym. Przygotowane próbki najlepiej obserwować pod mikroskopem lub skaningowym mikroskopem elektronowym, aby uzyskać odwzorowanie defektów wewnętrznych rdzenia.

Mapa defektów wewnętrznych rdzenia
(a) Rysunek przedstawia kwalifikowany rdzeń bez widocznych wad wewnętrznych.
(b) Na rysunku nabiegunnik jest wyraźnie skręcony i zdeformowany, co może być związane z napięciem uzwojenia, napięcie jest zbyt duże, aby spowodować zmarszczki nabiegunnika, a tego rodzaju defekty spowodują pogorszenie stanu interfejsu akumulatora i litu opady atmosferyczne, które pogarszają wydajność akumulatora.
(c) Na rysunku pomiędzy elektrodą a membraną znajduje się obca substancja. Wada ta może prowadzić do poważnego samorozładowania, a nawet powodować problemy z bezpieczeństwem, ale zwykle można ją wykryć w teście Hi-Pot.
(d) Elektroda pokazana na rysunku ma ujemny i dodatni wzór defektów, co może prowadzić do małej pojemności lub wytrącania się litu.
(e) Elektroda pokazana na rysunku zawiera wewnątrz zmieszany kurz, co może prowadzić do zwiększonego samorozładowania akumulatora.

Ponadto defekty wewnątrz rdzenia można również scharakteryzować za pomocą badań nieniszczących, takich jak powszechnie stosowane badania rentgenowskie i tomograficzne. Poniżej znajduje się krótkie wprowadzenie do niektórych typowych defektów procesów podstawowych:

1. Słabe pokrycie bieguna: lokalny biegun ujemny nie jest całkowicie pokryty biegunem dodatnim, co może prowadzić do deformacji akumulatora i wytrącania się litu, co stwarza potencjalne zagrożenie bezpieczeństwa.

2. Odkształcenie nabiegunnika: nabiegunnik ulega odkształceniu w wyniku wytłaczania, co może spowodować wewnętrzne zwarcie i spowodować poważne problemy z bezpieczeństwem.

Warto wspomnieć, że w 2017 r. w sensacyjnej sprawie eksplozji telefonu komórkowego Samsung Note7, wynik śledztwa wynika z tego, że elektroda ujemna wewnątrz baterii została ściśnięta, co spowodowało wewnętrzne zwarcie, powodując w ten sposób eksplozję baterii, wypadek spowodowała elektronika Samsung stratę ponad 6 miliardów dolarów.

3. Metalowe ciała obce: metalowe ciała obce to działanie zabójcy akumulatorów litowo-jonowych i mogą pochodzić z pasty, sprzętu lub środowiska. Większe cząstki obcych metali mogą bezpośrednio powodować fizyczne zwarcie, a gdy obce metale zostaną zmieszane z elektrodą dodatnią, zostaną utlenione, a następnie osadzone na powierzchni elektrody ujemnej, przebijając membranę i ostatecznie powodując wewnętrzne zwarcie w akumulatorze, które stwarza poważne zagrożenie bezpieczeństwa. Powszechnymi metalami obcymi są Fe, Cu, Zn, Sn i tak dalej.

Maszyna do nawijania baterii litowych służy do nawijania ogniw baterii litowych, która jest rodzajem sprzętu do montażu arkusza elektrody dodatniej, arkusza elektrody ujemnej i membrany w pakiet rdzenia (JR: JellyRoll) poprzez ciągły obrót. Krajowy sprzęt do produkcji uzwojeń rozpoczął się w 2006 roku, od półautomatycznego okrągłego, półautomatycznego nawijania kwadratowego, zautomatyzowanej produkcji folii, a następnie rozwinął się w kombinowaną automatyzację, maszynę do nawijania folii, maszynę do nawijania do wycinania laserowego, maszynę do ciągłego nawijania anodowego, ciągłe uzwojenie membranowe maszyna i tak dalej.

W tym miejscu szczególnie polecamy maszynę do wycinania laserowego Yixinfeng i pchania płaskiej maszyny. Maszyna ta łączy w sobie zaawansowaną technologię wycinania laserowego, wydajny proces nawijania i precyzyjną funkcję pchania, co może znacznie poprawić wydajność produkcji i jakość baterii litowej. Ma następujące istotne zalety:


1. Wykrawanie o wysokiej precyzji: Zapewnij dokładny rozmiar nabiegunnika i membrany, zmniejsz straty materiału i popraw konsystencję akumulatora.
2. Stabilne uzwojenie: Zoptymalizowany mechanizm nawijania i system sterowania zapewniają szczelną i stabilną strukturę rdzenia, zmniejszają opór wewnętrzny i poprawiają wydajność akumulatora.
3. Wysokowydajne poziomowanie: Unikalna konstrukcja poziomowania sprawia, że ​​powierzchnia rdzeni jest płaska, zmniejsza nierówne naprężenia wewnętrzne i wydłuża żywotność baterii.
4. Inteligentne sterowanie: Wyposażony w zaawansowany interfejs interakcji człowiek-komputer, umożliwia dokładne ustawienie parametrów i monitorowanie w czasie rzeczywistym, łatwą obsługę i łatwą konserwację.
5. Szeroki zakres kompatybilności: może również wykonać 18, 21, 32, 46, 50, 60 wszystkich modeli ogniw akumulatorowych, aby spełnić różnorodne potrzeby produkcyjne.

Sprzęt do akumulatorów litowo-jonowych
Wybierz maszynę do wycinania, nawijania i pchania laserem Yixinfeng, aby zapewnić wyższą jakość i wydajność produkcji baterii litowych!