Máquina enroladora de bateria de lítio: princípios, processos principais e diretrizes de controle de qualidade

No processo de fabricação de baterias de íon-lítio, geralmente existem várias maneiras de dividir o processo. O processo pode ser dividido em três processos principais: fabricação de eletrodos, processo de montagem e teste de células (conforme mostrado na figura abaixo), e também existem empresas que o dividem em processos de pré-enrolamento e pós-enrolamento, e este ponto de demarcação é o processo de enrolamento. Devido à sua forte função de integração, pode fazer a moldagem inicial da aparência da bateria, de modo que o processo de enrolamento na fabricação da bateria de íons de lítio como um papel fundamental, é a chave, o processo de enrolamento produzido pelo núcleo laminado é frequentemente referido como o nu célula de bateria (Jelly-Roll, conhecida como JR).

Processo de fabricação de baterias de íons de lítio
No processo de fabricação da bateria de íons de lítio, o processo de enrolamento do núcleo é ilustrado a seguir. A operação específica é enrolar a peça polar positiva, a peça polar negativa e o filme de isolamento juntos através do mecanismo de agulha da máquina de enrolamento, e os pólos positivos e negativos adjacentes são isolados pelo filme de isolamento para evitar curto-circuito. Após a conclusão do enrolamento, o núcleo é fixado com papel adesivo de fechamento para evitar que o núcleo se desfaça e depois flui para o próximo processo. Neste processo, a chave é garantir que não haja contato físico entre os eletrodos positivos e negativos, e que a folha do eletrodo negativo possa cobrir completamente a folha do eletrodo positivo nas direções horizontal e vertical.

Diagrama esquemático do processo de enrolamento
No processo de enrolamento do núcleo, geralmente dois pinos cilíndricos prendem duas camadas de diafragma para pré-enrolamento e, em seguida, alimentam a peça polar positiva ou negativa por sua vez, e a peça polar é fixada entre as duas camadas de diafragma para enrolamento. Na direção longitudinal do núcleo, o diafragma excede o diafragma negativo, e o diafragma negativo excede o diafragma positivo, de modo a evitar o curto-circuito de contato entre os diafragmas positivo e negativo.

Diagrama esquemático do diafragma de fixação da agulha de enrolamento

Desenho físico da bobinadeira automática

A máquina de enrolamento é o equipamento chave para realizar o processo de enrolamento do núcleo. Referindo-se ao diagrama acima, seus principais componentes e funções são os seguintes:

1. Sistema de fornecimento de peças polares: transporte as peças polares positivas e negativas ao longo do trilho guia para as duas camadas de diafragma entre o lado AA e o lado BB, respectivamente, para garantir o fornecimento estável de peças polares.
2. Sistema de desenrolamento do diafragma: Inclui diafragmas superiores e inferiores para realizar o fornecimento automático e contínuo de diafragmas para a agulha de enrolamento.
3. Sistema de controle de tensão: para controlar a tensão constante do diafragma durante o processo de enrolamento.
4. Sistema de enrolamento e colagem: para colar e fixar os núcleos após o enrolamento.
5. Sistema transportador de descarga: Desmonte automaticamente os núcleos das agulhas e coloque-os na correia transportadora automática.
6. Pedal: Quando não houver nenhuma condição anormal, pise no pedal para controlar a operação normal do enrolamento.
7. Interface de interação humano-computador: com configuração de parâmetros, depuração manual, avisos de alarme e outras funções.

A partir da análise acima do processo de enrolamento, pode-se observar que o enrolamento do núcleo elétrico contém dois elos inevitáveis: empurrar a agulha e puxar a agulha.
Processo de empurrar a agulha: os dois rolos de agulhas se estendem sob a ação do cilindro de empurrar a agulha, através de ambos os lados do diafragma, os dois rolos de agulhas formados pela combinação do cilindro de agulha inserido na manga, os rolos de agulhas perto para prender o diafragma, ao mesmo tempo, os dois rolos de agulhas se fundem para formar uma forma basicamente simétrica, como o núcleo do enrolamento do núcleo.

Diagrama esquemático do processo de empurrar a agulha

Processo de bombeamento de agulha: após a conclusão do enrolamento do núcleo, as duas agulhas são retraídas sob a ação do cilindro de bombeamento de agulha, o cilindro de agulha é retirado da luva, a bola no dispositivo de agulha fecha a agulha sob a ação da mola, e as duas agulhas são enroladas em direções opostas, e o tamanho da extremidade livre da agulha é reduzido para formar uma certa lacuna entre a agulha e a superfície interna do núcleo, e com a agulha retraída em relação à luva de retenção, as agulhas e o núcleo pode ser separado suavemente.

Diagrama esquemático do processo de extração de agulha

A "agulha" no processo de empurrar e puxar a agulha acima refere-se à agulha, que, como componente central da bobinadeira, tem um impacto significativo na velocidade de enrolamento e na qualidade do núcleo. Atualmente, a maioria das bobinadeiras usa agulhas redondas, ovais e planas em forma de diamante. Para agulhas redondas e ovais, devido à existência de um certo arco, levará à deformação da orelha polar do núcleo, no processo subsequente de prensagem do núcleo, mas também fácil de causar enrugamento interno e deformação do núcleo. Já nas agulhas planas em formato de diamante, devido à grande diferença de tamanho entre os eixos longo e curto, a tensão da peça polar e do diafragma varia significativamente, exigindo que o motor de acionamento enrole em velocidades variáveis, o que torna o processo difícil de controlar, e a velocidade de enrolamento é geralmente baixa.

Diagrama esquemático de agulhas de enrolamento comuns

Tomemos como exemplo a agulha plana em forma de diamante mais complicada e comum, no processo de enrolamento e rotação, as peças polares positivas e negativas e o diafragma são sempre enrolados em torno dos seis pontos de canto de B, C, D, E, F e G como ponto de apoio.

Diagrama esquemático da rotação plana da agulha de enrolamento em forma de diamante

Portanto, o processo de enrolamento pode ser dividido em enrolamento segmentado com OB, OC, OD, OE, OF, OG como raio, sendo necessário apenas analisar a mudança da velocidade da linha nas sete faixas angulares entre θ0, θ1, θ2, θ3, θ4, θ5, θ6 e θ7, a fim de descrever completamente quantitativamente o processo de rotação cíclica da agulha de enrolamento.

Diagrama esquemático de diferentes ângulos de rotação da agulha

Com base na relação trigonométrica, a relação correspondente pode ser derivada.

A partir da equação acima, é fácil ver que quando a agulha de enrolamento é enrolada a uma velocidade angular constante, a velocidade linear de enrolamento e o ângulo formado entre o ponto de suporte da agulha e as peças polares positivas e negativas e o diafragma são em um relacionamento de função segmentada. A relação de imagem entre os dois é simulada pelo Matlab da seguinte forma:

Mudanças na velocidade de enrolamento em diferentes ângulos

É intuitivamente óbvio que a relação entre a velocidade linear máxima e a velocidade linear mínima no processo de enrolamento da agulha plana em forma de diamante na figura pode ser mais de 10 vezes. Uma mudança tão grande na velocidade da linha provocará grandes flutuações na tensão dos eletrodos positivos e negativos e do diafragma, que é a principal causa das flutuações na tensão do enrolamento. A flutuação excessiva da tensão pode levar ao estiramento do diafragma durante o processo de enrolamento, ao encolhimento do diafragma após o enrolamento e ao pequeno espaçamento da camada nos cantos dentro do núcleo após a prensagem do núcleo. No processo de carregamento, a expansão da peça polar faz com que a tensão na direção da largura do núcleo não seja concentrada, resultando em um momento fletor, resultando na distorção da peça polar, e a bateria de lítio preparada eventualmente aparece "S "deformação.

Imagem tomográfica e diagrama de desmontagem do núcleo deformado em “S”

Atualmente, para resolver o problema da má qualidade do núcleo (principalmente deformação) causado pelo formato da agulha de enrolamento, dois métodos são normalmente usados: enrolamento de tensão variável e enrolamento de velocidade variável.

1. Enrolamento de tensão variável: Tomemos como exemplo a bateria cilíndrica, sob velocidade angular constante, a velocidade linear aumenta com o número de camadas de enrolamento, o que leva ao aumento da tensão. Enrolamento de tensão variável, ou seja, através do sistema de controle de tensão, de modo que a tensão aplicada à peça polar ou diafragma com o aumento do número de camadas de enrolamento e redução linear, de modo que no caso de velocidade de rotação constante, mas ainda pode faça todo o processo de enrolamento da tensão o máximo possível para manter uma constante. Um grande número de experimentos com enrolamentos de tensão variável levaram às seguintes conclusões:
um. Quanto menor for a tensão do enrolamento, melhor será o efeito de melhoria na deformação do núcleo.
b. Durante o enrolamento com velocidade constante, à medida que o diâmetro do núcleo aumenta, a tensão diminui linearmente com um risco menor de deformação do que com o enrolamento com tensão constante.
2. Enrolamento de velocidade variável: Tomemos como exemplo a célula quadrada, geralmente é usada uma agulha de enrolamento plana em forma de diamante. Quando a agulha é enrolada a uma velocidade angular constante, a velocidade linear flutua significativamente, resultando em grandes diferenças no espaçamento das camadas nos cantos do núcleo. Neste momento, a necessidade de mudanças de velocidade linear dedução reversa da lei de mudança de velocidade de rotação, ou seja, o enrolamento da velocidade de rotação com a mudança e mudança de ângulo, a fim de realizar o processo de enrolamento de flutuações de velocidade linear tão pequenas possível, de modo a garantir que as flutuações de tensão na faixa de pequeno valor de amplitude.

Em suma, o formato da agulha de enrolamento pode afetar o nivelamento da orelha do pólo (rendimento do núcleo e desempenho elétrico), a velocidade do enrolamento (produtividade), a uniformidade da tensão interna do núcleo (problemas de deformação de aparência) e assim por diante. Para baterias cilíndricas, geralmente são usadas agulhas redondas; para baterias quadradas, geralmente são usadas agulhas rômbicas elípticas ou planas (em alguns casos, agulhas redondas também podem ser usadas para enrolar e achatar o núcleo para formar um núcleo quadrado). Além disso, uma grande quantidade de dados experimentais mostra que a qualidade dos núcleos tem um impacto importante no desempenho eletroquímico e no desempenho de segurança da bateria final.

Com base nisso, resolvemos algumas das principais preocupações e cuidados no processo de enrolamento de baterias de lítio, na esperança de evitar ao máximo operações inadequadas no processo de enrolamento, de modo a fabricar baterias de lítio que atendam aos requisitos de qualidade.

Para visualizar os defeitos do núcleo, o núcleo pode ser imerso em resina epóxi com cola AB para cura e, em seguida, a seção transversal pode ser cortada e polida com lixa. É melhor observar as amostras preparadas ao microscópio ou microscópio eletrônico de varredura, para obter o mapeamento do defeito interno do núcleo.

Mapa de defeitos internos do núcleo
(a) A figura mostra um núcleo qualificado sem defeitos internos óbvios.
(b) Na figura, a peça polar está obviamente torcida e deformada, o que pode estar relacionado à tensão do enrolamento, a tensão é muito grande para causar rugas na peça polar, e esse tipo de defeito fará com que a interface da bateria se deteriore e o lítio precipitação, o que deteriorará o desempenho da bateria.
(c) Há uma substância estranha entre o eletrodo e o diafragma na figura. Este defeito pode levar a uma autodescarga grave e até mesmo causar problemas de segurança, mas geralmente pode ser detectado no teste Hi-pot.
(d) O eletrodo na figura possui um padrão de defeito negativo e positivo, o que pode levar a baixa capacidade ou precipitação de lítio.
(e) O eletrodo da figura contém poeira misturada em seu interior, o que pode levar ao aumento da autodescarga da bateria.

Além disso, os defeitos dentro do núcleo também podem ser caracterizados por testes não destrutivos, como os testes comumente usados ​​de raios-X e tomografia computadorizada. A seguir está uma breve introdução a alguns defeitos comuns do processo principal:

1. Má cobertura da peça polar: a peça polar negativa local não está totalmente coberta com a peça polar positiva, o que pode levar à deformação da bateria e à precipitação de lítio, resultando em riscos potenciais à segurança.

2. Deformação da peça polar: a peça polar é deformada por extrusão, o que pode provocar curto-circuito interno e trazer sérios problemas de segurança.

Vale ressaltar que em 2017, o sensacional caso de explosão do celular samsung note7, o resultado da investigação se deve ao eletrodo negativo dentro da bateria ser comprimido para causar um curto-circuito interno, fazendo com que a bateria exploda, o acidente causou a samsung electronics perda de mais de 6 bilhões de dólares.

3. Matéria estranha de metal: matéria estranha de metal é o desempenho do assassino de bateria de íon de lítio, pode vir da pasta, do equipamento ou do meio ambiente. Partículas maiores de matéria estranha metálica podem causar diretamente um curto-circuito físico, e quando matéria estranha metálica é misturada no eletrodo positivo, ela será oxidada e então depositada na superfície do eletrodo negativo, perfurando o diafragma e, por fim, causando um interno curto-circuito na bateria, o que representa um sério risco à segurança. Matérias estranhas de metais comuns são Fe, Cu, Zn, Sn e assim por diante.

A máquina de enrolamento de bateria de lítio é usada para enrolar células de bateria de lítio, que é um tipo de equipamento para montar folha de eletrodo positivo, folha de eletrodo negativo e diafragma em um pacote central (JR: JellyRoll) por rotação contínua. O equipamento de fabricação de enrolamento doméstico começou em 2006, desde enrolamento redondo semiautomático, enrolamento quadrado semiautomático, produção automatizada de filme e, em seguida, desenvolvido em automação combinada, máquina enroladora de filme, máquina enroladora de corte a laser, máquina de enrolamento contínuo de ânodo, enrolamento contínuo de diafragma máquina, e assim por diante.

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1. Corte e vinco de alta precisão: Garanta o tamanho preciso da peça polar e do diafragma, reduza o desperdício de material e melhore a consistência da bateria.
2. Enrolamento estável: Mecanismo de enrolamento otimizado e sistema de controle garantem uma estrutura central firme e estável, reduz a resistência interna e melhora o desempenho da bateria.
3. Nivelamento de alta eficiência: O design de nivelamento exclusivo torna a superfície dos núcleos plana, reduz o estresse interno irregular e prolonga a vida útil da bateria.
4. Controle inteligente: Equipado com interface avançada de interação humano-computador, ele realiza configuração precisa de parâmetros e monitoramento em tempo real, fácil operação e fácil manutenção.
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