Машина для намотки литиевых батарей: принципы, ключевые процессы и рекомендации по контролю качества

В процессе производства литий-ионных аккумуляторов обычно существует несколько способов разделения процесса. Этот процесс можно разделить на три основных процесса: производство электродов, процесс сборки и тестирование элементов (как показано на рисунке ниже), а также есть компании, которые делят его на процессы предварительной намотки и после намотки, и эта демаркационная точка процесс намотки. Благодаря своей сильной функции интеграции, внешний вид батареи может быть отлит в первоначальное формование, поэтому процесс намотки в производстве литий-ионных аккумуляторов играет ключевую роль, процесс намотки, производимый катаным сердечником, часто называют голым. аккумуляторный элемент (Jelly-Roll, называемый JR).

Процесс производства литий-ионных аккумуляторов
В процессе производства литий-ионных аккумуляторов процесс намотки сердечника проиллюстрирован следующим образом. Конкретная операция заключается в свертывании положительного полюса, отрицательного полюса и изолирующей пленки вместе через игольчатый механизм намоточной машины, а соседние положительные и отрицательные полюсные части изолируются изолирующей пленкой, чтобы предотвратить короткое замыкание. После завершения намотки сердечник фиксируется закрывающей клейкой бумагой, чтобы предотвратить распадение сердечника, а затем переходит к следующему процессу. В этом процессе важно обеспечить отсутствие физического контакта между положительным и отрицательным электродами и чтобы лист отрицательного электрода мог полностью покрывать лист положительного электрода как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях.

Принципиальная схема процесса намотки
В процессе намотки сердечника обычно два роликовых штифта зажимают два слоя диафрагмы для предварительной намотки, а затем по очереди подают положительный или отрицательный полюсный наконечник, а полюсный наконечник зажимается между двумя слоями диафрагмы для намотки. В продольном направлении сердечника диафрагма превышает отрицательную диафрагму, а отрицательная диафрагма превышает положительную диафрагму, чтобы избежать короткого замыкания контактов между положительной и отрицательной диафрагмой.

Принципиальная схема зажимной диафрагмы намоточной иглы

Физический чертеж автоподзавода

Намоточная машина является ключевым оборудованием для реализации процесса намотки сердечника. Ссылаясь на приведенную выше диаграмму, ее основные компоненты и функции заключаются в следующем:

1. Система подачи полюсных наконечников: передайте положительные и отрицательные полюсные наконечники вдоль направляющей к двум слоям диафрагмы между стороной AA и стороной BB соответственно, чтобы обеспечить стабильную подачу полюсных наконечников.
2. Система размотки диафрагмы: она включает в себя верхнюю и нижнюю диафрагмы для реализации автоматической и непрерывной подачи диафрагмы на намоточную иглу.
3. Система контроля натяжения: для контроля постоянного натяжения диафрагмы во время процесса намотки.
4. Система намотки и склеивания: для склеивания и фиксации сердечников после намотки.
5. Конвейерная система разгрузки: автоматически отделяйте сердцевины от игл и бросайте их на автоматический конвейер.
6. Ножной переключатель: если нет никаких аномальных условий, нажмите на педаль, чтобы контролировать нормальную работу обмотки.
7. Интерфейс взаимодействия человека и компьютера: с настройкой параметров, ручной отладкой, подсказками сигналов тревоги и другими функциями.

Из приведенного анализа процесса намотки видно, что обмотка электрического сердечника содержит два неизбежных звена: толкание иглы и вытягивание иглы.
Процесс проталкивания иглы: два рулона игл выдвигаются под действием толкающего цилиндра иглы через обе стороны диафрагмы, два рулона игл, образованные комбинацией цилиндра иглы, вставленной в рукав, рулоны игл близко к зажиму диафрагмы, в то же время два рулона игл сливаются, образуя в основном симметричную форму, как сердечник сердечниковой обмотки.

Принципиальная схема процесса проталкивания иглы

Процесс накачки иглы: после завершения намотки сердечника две иглы под действием цилиндра накачки иглы втягиваются, цилиндр иглы выводится из втулки, шарик в игольчатом устройстве под действием пружины закрывает иглу, и две иглы свернуты в противоположных направлениях, а размер свободного конца иглы уменьшен, чтобы образовался определенный зазор между иглой и внутренней поверхностью сердечника, и когда игла втянута относительно удерживающей втулки, иглы и ядро можно плавно отделить.

Принципиальная схема процесса извлечения иглы

«Игла» в процессе выталкивания и вытягивания иглы выше относится к игле, которая, как основной компонент намоточной машины, оказывает существенное влияние на скорость намотки и качество сердечника. В настоящее время на большинстве намоточных машин используются круглые, овальные и плоские иглы ромбовидной формы. Для круглых и овальных игл из-за наличия определенной дуги это приведет к деформации полюсного ушка сердечника в последующем процессе прессования стержня, но также легко может вызвать внутренние морщины и деформацию сердечника. Что касается плоских игл ромбовидной формы, то из-за большой разницы в размерах длинной и короткой осей натяжение полюсного наконечника и диафрагмы значительно варьируется, что требует от приводного двигателя намотки с переменной скоростью, что затрудняет управление процессом. и скорость намотки обычно низкая.

Принципиальная схема обычных намоточных игл

В качестве примера возьмем самую сложную и распространенную плоскую иглу ромбовидной формы, в процессе ее намотки и вращения положительный и отрицательный полюсные наконечники и диафрагма всегда оборачиваются вокруг шести угловых точек B, C, D, E, F. и G как точка опоры.

Принципиальная схема вращения плоской ромбовидной намоточной иглы

Таким образом, процесс намотки можно разделить на сегментную намотку с радиусами OB, OC, OD, OE, OF, OG, и необходимо только проанализировать изменение скорости линии в семи угловых диапазонах между θ0, θ1, θ2, θ3, θ4, θ5, θ6 и θ7, чтобы полностью количественно описать процесс циклического вращения намоточной иглы.

Принципиальная схема разных углов поворота иглы

На основе тригонометрической зависимости можно вывести соответствующее соотношение.

Из приведенного выше уравнения легко видеть, что когда игла обмотки наматывается с постоянной угловой скоростью, линейная скорость намотки и угол, образуемый между точкой опоры иглы, положительным и отрицательным полюсными наконечниками и диафрагмой, равны в сегментированных функциональных отношениях. Отношения изображений между ними моделируются Matlab следующим образом:

Изменение скорости намотки под разными углами

Интуитивно очевидно, что отношение максимальной линейной скорости к минимальной линейной скорости в процессе намотки плоской ромбовидной иглы на рисунке может быть более чем в 10 раз. Такое огромное изменение скорости линии приведет к большим колебаниям натяжения положительных и отрицательных электродов и диафрагмы, что является основной причиной колебаний натяжения обмотки. Чрезмерные колебания натяжения могут привести к растяжению диафрагмы в процессе намотки, усадке диафрагмы после намотки и небольшому расстоянию между слоями в углах внутри сердечника после прессования сердечника. В процессе зарядки расширение полюсного наконечника приводит к тому, что напряжение в направлении ширины сердечника не концентрируется, в результате чего возникает изгибающий момент, что приводит к деформации полюсного наконечника, и подготовленная литиевая батарея в конечном итоге оказывается "S". «Деформация.

КТ-изображение и схема разборки S-образного деформированного сердечника.

В настоящее время для решения проблемы плохого качества сердечника (в основном деформации), вызванной формой намоточной иглы, обычно используются два метода: намотка с переменным натяжением и намотка с регулируемой скоростью.

1. Обмотка с переменным натяжением. Возьмем в качестве примера цилиндрическую батарею: при постоянной угловой скорости линейная скорость увеличивается с увеличением количества слоев намотки, что приводит к увеличению натяжения. Обмотка с переменным натяжением, то есть через систему контроля натяжения, так что натяжение, прикладываемое к полюсному наконечнику или диафрагме, с увеличением количества слоев намотки и линейным уменьшением, так что в случае постоянной скорости вращения, но все же может Сделайте весь процесс намотки таким, чтобы натяжение оставалось постоянным. Большое количество экспериментов с обмотками переменного напряжения привели к следующим выводам:
а. Чем меньше натяжение обмотки, тем лучше эффект улучшения на деформацию сердечника.
б. При намотке с постоянной скоростью по мере увеличения диаметра сердечника натяжение уменьшается линейно с меньшим риском деформации, чем при намотке с постоянным натяжением.
2. Намотка с переменной скоростью. В качестве примера возьмите квадратную ячейку, обычно используется плоская намоточная игла ромбовидной формы. Когда игла наматывается с постоянной угловой скоростью, линейная скорость значительно колеблется, что приводит к большим различиям в расстоянии между слоями в углах сердечника. В это время необходимо изменение линейной скорости, обратный вывод закона изменения скорости вращения, то есть намотка скорости вращения с изменением и изменением угла, чтобы реализовать процесс намотки колебаний линейной скорости как небольшой насколько это возможно, так, чтобы обеспечить колебания напряжения в диапазоне малых амплитудных значений.

Короче говоря, форма намоточной иглы может влиять на плоскостность ушка полюса (выход сердечника и электрические характеристики), скорость намотки (производительность), однородность внутреннего напряжения сердечника (проблемы с деформацией внешнего вида) и так далее. Для цилиндрических батарей обычно применяют круглые иглы; для квадратных батарей обычно применяют эллиптические или плоские ромбические иглы (в некоторых случаях для намотки и сплющивания сердечника с образованием квадратного сердечника можно использовать и круглые иглы). Кроме того, большой объем экспериментальных данных показывает, что качество сердечников оказывает важное влияние на электрохимические характеристики и показатели безопасности конечной батареи.

Основываясь на этом, мы разобрались с некоторыми ключевыми проблемами и мерами предосторожности в процессе намотки литиевых батарей в надежде максимально избежать неправильных операций в процессе намотки и производить литиевые батареи, соответствующие требованиям качества.

Чтобы визуализировать дефекты сердечника, сердечник можно погрузить в клей эпоксидной смолы АВ для отверждения, а затем разрезать сечение и отполировать наждачной бумагой. Лучше всего наблюдать за подготовленными образцами под микроскопом или сканирующим электронным микроскопом, чтобы получить карту внутренних дефектов сердечника.

Карта внутренних дефектов ядра
(а) На рисунке показан сертифицированный сердечник без явных внутренних дефектов.
(б) На рисунке полюсный наконечник явно скручен и деформирован, что может быть связано с натяжением обмотки, натяжение слишком велико, чтобы вызвать сморщивание полюсного наконечника, и такого рода дефекты приведут к ухудшению интерфейса батареи и выходу лития из строя. осадки, которые ухудшают работу аккумулятора.
(c) На рисунке между электродом и диафрагмой находится постороннее вещество. Этот дефект может привести к серьезному саморазряду и даже вызвать проблемы с безопасностью, но обычно его можно обнаружить при тестировании Hi-pot.
(d) Электрод на рисунке имеет отрицательный и положительный рисунок дефектов, что может привести к низкой емкости или выделению лития.
(д) Внутри электрода на рисунке смешана пыль, что может привести к повышенному саморазряду аккумулятора.

Кроме того, дефекты внутри активной зоны также можно охарактеризовать с помощью неразрушающего контроля, такого как обычно используемые рентгеновские лучи и компьютерная томография. Ниже приводится краткое описание некоторых распространенных дефектов основных процессов:

1. Плохое покрытие полюсного наконечника: местный отрицательный полюсный наконечник не полностью покрыт положительным полюсным наконечником, что может привести к деформации батареи и осаждению лития, что приводит к потенциальной угрозе безопасности.

2. Деформация полюсного наконечника: полюсный наконечник деформируется в результате экструзии, что может вызвать внутреннее короткое замыкание и создать серьезные проблемы с безопасностью.

Стоит отметить, что в 2017 году произошел сенсационный случай взрыва сотового телефона Samsung Note7, результат расследования связан с тем, что отрицательный электрод внутри аккумулятора сжимается, вызывая внутреннее короткое замыкание, что приводит к взрыву аккумулятора, авария вызвала электронику Samsung. убытки составили более 6 миллиардов долларов.

3. Металлические посторонние предметы: металлические посторонние предметы являются характеристиками устройства для уничтожения литий-ионных аккумуляторов и могут поступать из пасты, оборудования или окружающей среды. Более крупные частицы металлических инородных тел могут непосредственно вызвать физическое короткое замыкание, а когда металлические инородные тела примешиваются к положительному электроду, они окисляются, а затем осаждаются на поверхности отрицательного электрода, пробивая диафрагму и в конечном итоге вызывая внутреннее повреждение. короткое замыкание в аккумуляторе, которое представляет серьезную угрозу безопасности. Обычными металлическими посторонними веществами являются Fe, Cu, Zn, Sn и так далее.

Машина для намотки литиевых батарей используется для намотки элементов литиевых батарей, которые представляют собой своего рода оборудование для сборки листа положительного электрода, листа отрицательного электрода и диафрагмы в пакет сердечников (JR: JellyRoll) путем непрерывного вращения. Производство отечественного оборудования для намотки началось в 2006 году: полуавтоматическая круглая, полуавтоматическая квадратная намотка, автоматизированное производство пленки, а затем превратилось в комбинированную автоматизацию, машину для намотки пленки, машину для лазерной высечки, машину для непрерывной намотки анода, непрерывную намотку диафрагмы. машина и так далее.

Здесь мы особенно рекомендуем станок для лазерной высечки Yixinfeng и толкающую плоскую машину. Эта машина сочетает в себе передовую технологию лазерной высечки, эффективный процесс намотки и точную функцию толкания, что может значительно повысить эффективность производства и качество литиевых батарей. Он имеет следующие существенные преимущества:


1. Высокоточная высечка: Обеспечьте точный размер полюсного наконечника и диафрагмы, уменьшите отходы материала и улучшите стабильность батареи.
2. Стабильная намотка: оптимизированный намоточный механизм и система управления обеспечивают плотную и стабильную структуру сердечника, уменьшают внутреннее сопротивление и улучшают производительность аккумулятора.
3. Высокоэффективное выравнивание: уникальная конструкция выравнивания делает поверхность сердечников плоской, уменьшает неравномерное внутреннее напряжение и продлевает срок службы батареи.
4. Интеллектуальное управление. Оснащенный усовершенствованным интерфейсом взаимодействия человека с компьютером, он обеспечивает точную настройку параметров и мониторинг в реальном времени, простоту эксплуатации и обслуживания.
5. Широкий диапазон совместимости: он также может работать с 18, 21, 32, 46, 50, 60 аккумуляторными элементами всех моделей, чтобы удовлетворить ваши разнообразные производственные потребности.

Литий-ионное аккумуляторное оборудование
Выберите станок для лазерной высечки, намотки и толкания Yixinfeng, чтобы повысить качество и эффективность производства литиевых батарей!