Машина для намотування літієвих батарей: принципи, ключові процеси та вказівки щодо контролю якості

У процесі виробництва літій-іонних акумуляторів зазвичай існує кілька способів поділу процесу. Процес можна розділити на три основні процеси: виготовлення електродів, процес складання та випробування елемента (як показано на малюнку нижче), і є також компанії, які поділяють його на процеси попереднього та після намотування, і ця точка розмежування процес намотування. Завдяки сильній інтеграційній функції може зробити зовнішній вигляд батареї початковим формуванням, тому процес намотування у виробництві літій-іонних акумуляторів є ключовою роллю, процес намотування, який виробляється згорнутим сердечником, часто називають голим. елемент батареї (Jelly-Roll, відомий як JR).

Процес виробництва літій-іонних акумуляторів
У процесі виробництва літій-іонної батареї процес намотування сердечника проілюстровано таким чином. Конкретна операція полягає в згортанні позитивного полюса, негативного полюса та ізоляційної плівки разом через голчастий механізм машини для намотування, а сусідні позитивні та негативні полюси ізольовані ізоляційною плівкою, щоб запобігти короткому замиканню. Після завершення намотування сердечник фіксується закриваючим клейким папером, щоб запобігти розпаду сердечника, а потім переходить до наступного процесу. У цьому процесі ключовим є забезпечення відсутності фізичного контакту між позитивним і негативним електродами, а також те, що лист негативного електрода може повністю покривати лист позитивного електрода як у горизонтальному, так і у вертикальному напрямках.

Принципова схема процесу намотування
У процесі намотування сердечника зазвичай два роликові штирі затискають два шари діафрагми для попереднього намотування, а потім по черзі подають позитивний або негативний полюсний наконечник, і полюсний наконечник затискається між двома шарами діафрагми для намотування. У поздовжньому напрямку сердечника діафрагма перевищує негативну діафрагму, а негативна діафрагма перевищує позитивну діафрагму, щоб уникнути контактного короткого замикання між позитивною та негативною діафрагмами.

Принципова схема намотування голки затискної діафрагми

Фізичне креслення намотувального верстата

Машина для намотування є ключовим обладнанням для реалізації процесу намотування сердечника. Посилаючись на наведену вище схему, його основні компоненти та функції такі:

1. Система живлення полюсних наконечників: передайте позитивні та негативні полюсні наконечники вздовж напрямної до двох шарів діафрагми між стороною AA та стороною BB відповідно, щоб забезпечити стабільне живлення полюсних наконечників.
2. Система розмотування діафрагми: включає верхню та нижню діафрагми для реалізації автоматичної та безперервної подачі діафрагм до намотувальної голки.
3. Система контролю натягу: для контролю постійного натягу діафрагми під час процесу намотування.
4. Система намотування та склеювання: для склеювання та фіксації жил після намотування.
5. Розвантажувальна конвеєрна система: автоматично знімайте серцевини з голок і опускайте їх на автоматичний конвеєр.
6. Ножний перемикач: якщо немає аномальних умов, натисніть на ножний перемикач, щоб контролювати нормальну роботу намотування.
7. Інтерфейс взаємодії людини з комп’ютером: із налаштуванням параметрів, ручним налагодженням, сповіщеннями про тривогу та іншими функціями.

З наведеного вище аналізу процесу намотування можна побачити, що намотування електричного сердечника містить дві неминучі ланки: штовхання голки та витягування голки.
Процес штовхання голки: два рулони голок простягаються під дією штовхання циліндра голки через обидві сторони діафрагми, два рулони голок, утворені комбінацією циліндра голки, вставленого у втулку, рулонів голок ближче до затискання діафрагми, в той же час два рулони голок зливаються, утворюючи в основному симетричну форму, як серцевина обмотки сердечника.

Принципова схема процесу проштовхування голки

Процес накачування голки: після завершення намотування сердечника дві голки втягуються під дією циліндра накачування голки, циліндр голки витягується з гільзи, кулька в пристрої голки закриває голку під дією пружини, і дві голки згорнуті в протилежних напрямках, і розмір вільного кінця голки зменшується, щоб утворити певний зазор між голкою та внутрішньою поверхнею сердечника, і коли голка втягнута відносно утримуючої втулки, голки та ядро можна плавно відокремити.

Принципова схема процесу вилучення голки

«Голка» в процесі штовхання та витягування голки вище відноситься до голки, яка як основний компонент намотальної машини має значний вплив на швидкість намотування та якість серцевини. В даний час більшість намотальних машин використовують круглі, овальні і плоскі ромбоподібні голки. Для круглих і овальних голок через існування певної дуги призведе до деформації полюсного вуха серцевини в подальшому процесі пресування серцевини, але також легко спричинити внутрішнє зморщування та деформацію серцевини. Що стосується плоских ромбовидних голок, через велику різницю розмірів між довгою та короткою осями натяг полюсного наконечника та діафрагми значно змінюється, вимагаючи обертання приводного двигуна зі змінною швидкістю, що ускладнює контроль процесу, і швидкість намотування зазвичай низька.

Принципова схема звичайних намотувальних голок

Візьмемо для прикладу найскладнішу та поширену плоску ромбоподібну голку, у процесі її намотування та обертання позитивні та негативні полюсні наконечники та діафрагма завжди обертаються навколо шести кутових точок B, C, D, E, F і G як опорна точка.

Принципова схема обертання плоскої ромбоподібної намотувальної голки

Таким чином, процес намотування можна розділити на сегментне намотування з OB, OC, OD, OE, OF, OG як радіус, і потрібно лише проаналізувати зміну швидкості лінії в семи кутових діапазонах між θ0, θ1, θ2, θ3, θ4, θ5, θ6 і θ7, щоб повністю кількісно описати процес циклічного обертання намотувальної голки.

Принципова схема різних кутів повороту голки

На основі тригонометричного співвідношення можна вивести відповідне співвідношення.

З наведеного вище рівняння легко побачити, що коли намотувальна голка намотується з постійною кутовою швидкістю, лінійна швидкість намотування та кут, утворений між точкою опори голки та позитивним і негативним полюсними наконечниками та діафрагмою, дорівнюють у відношенні сегментованих функцій. Відношення зображень між ними моделюється Matlab наступним чином:

Зміна швидкості намотування під різними кутами

Інтуїтивно очевидно, що відношення максимальної лінійної швидкості до мінімальної лінійної швидкості в процесі намотування плоскої ромбовидної голки на малюнку може бути більше ніж у 10 разів. Така величезна зміна швидкості лінії призведе до великих коливань натягу позитивних і негативних електродів і діафрагми, що є основною причиною коливань натягу обмотки. Надмірні коливання натягу можуть призвести до розтягування діафрагми під час процесу намотування, усадки діафрагми після намотування та невеликого інтервалу між шарами в кутах сердечника після пресування сердечника. У процесі заряджання розширення полюсного наконечника призводить до того, що напруга в напрямку ширини сердечника не концентрується, що призводить до моменту згинання, що призводить до спотворення полюсного наконечника, і в кінцевому підсумку підготовлена ​​літієва батарея з’являється «S». "деформація.

КТ-зображення та схема розбирання деформованого сердечника «S».

В даний час для вирішення проблеми низької якості сердечника (в основному деформації), спричиненої формою голки для намотування, зазвичай використовуються два методи: намотування зі змінним натягом і намотування зі змінною швидкістю.

1. Обмотка зі змінним натягом: візьмемо як приклад циліндричну батарею, при постійній кутовій швидкості лінійна швидкість збільшується з кількістю шарів обмотки, що призводить до зростання напруги. Обмотка змінного натягу, тобто через систему контролю натягу, так що напруга, прикладена до полюсного наконечника або діафрагми зі збільшенням кількості шарів обмотки та лінійним зменшенням, так що у випадку постійної швидкості обертання, але все ще можна зробіть весь процес намотування напруги, наскільки це можливо, щоб підтримувати постійну. Велика кількість експериментів зі змінним натягом намотування призвели до наступних висновків:
a. Чим менший натяг обмотки, тим кращий ефект поліпшення деформації сердечника.
b. Під час намотування з постійною швидкістю зі збільшенням діаметра сердечника натяг зменшується лінійно з меншим ризиком деформації, ніж при намотуванні з постійним натягом.
2. Намотування зі змінною швидкістю: візьмемо квадратну комірку як приклад, зазвичай використовується плоска ромбоподібна намотувальна голка. Коли голка намотується з постійною кутовою швидкістю, лінійна швидкість значно коливається, що призводить до великої різниці між шарами в кутах серцевини. У цей час потреба в лінійній швидкості змінюється зворотним вирахуванням закону зміни швидкості обертання, тобто намотування швидкості обертання зі зміною кута та зміною, щоб реалізувати процес намотування лінійних коливань швидкості як малий наскільки можливо, щоб забезпечити коливання напруги в діапазоні невеликих значень амплітуди.

Коротше кажучи, форма намотувальної голки може впливати на площинність вуха полюса (продуктивність сердечника та електричні характеристики), швидкість намотування (продуктивність), рівномірність внутрішньої напруги сердечника (проблеми деформації зовнішнього вигляду) тощо. Для циліндричних батарей зазвичай використовують круглі голки; для квадратних батарей зазвичай використовуються еліптичні або плоскі ромбічні голки (у деяких випадках можна також використовувати круглі голки для намотування та розплющування серцевини, щоб утворилася квадратна серцевина). Крім того, велика кількість експериментальних даних показує, що якість сердечників має важливий вплив на електрохімічні характеристики та показники безпеки кінцевої батареї.

Виходячи з цього, ми визначили деякі ключові проблеми та запобіжні заходи в процесі намотування літієвих батарей, сподіваючись якомога більше уникнути неправильних операцій у процесі намотування, щоб виробляти літієві батареї, які відповідають вимогам якості.

Щоб візуалізувати дефекти серцевини, серцевину можна занурити в епоксидну смолу клей AB для затвердіння, а потім поперечний переріз можна вирізати та відполірувати наждачним папером. Найкраще спостерігати підготовлені зразки під мікроскопом або скануючим електронним мікроскопом, щоб отримати карту внутрішніх дефектів ядра.

Карта внутрішніх дефектів сердечника
(a) На малюнку показано кваліфіковане ядро ​​без очевидних внутрішніх дефектів.
(b) На малюнку полюсний наконечник явно перекручений і деформований, що може бути пов’язано з натягом обмотки, напруга занадто велика, щоб спричинити зморшки на полюсному наконечнику, і такі дефекти призведуть до погіршення інтерфейсу батареї та літію опади, що погіршить роботу батареї.
(c) Між електродом і діафрагмою на малюнку є стороння речовина. Цей дефект може призвести до серйозного саморозряду та навіть спричинити проблеми з безпекою, але зазвичай його можна виявити під час тесту Hi-pot.
(d) Електрод на малюнку має негативну та позитивну картину дефектів, що може призвести до низької ємності або випадання літію.
(e) Всередині електрода на малюнку змішаний пил, що може призвести до посиленого саморозряду батареї.

Крім того, дефекти всередині серцевини також можуть бути охарактеризовані за допомогою неруйнівного контролю, такого як зазвичай використовувані рентгенівські та комп’ютерні дослідження. Нижче наведено короткий вступ до деяких поширених дефектів основного процесу:

1. Погане покриття полюсної наконечника: локальний негативний полюсний наконечник не повністю покритий позитивним полюсним наконечником, що може призвести до деформації батареї та випадання літію, що може призвести до потенційної загрози безпеці.

2. Деформація полюсного наконечника: полюсний наконечник деформується екструзією, що може спровокувати внутрішнє коротке замикання та створити серйозні проблеми з безпекою.

Варто зазначити, що в 2017 році сталася сенсаційна справа про вибух стільникового телефону samsung note7, результат розслідування пов’язаний з тим, що негативний електрод всередині батареї був стиснутий, що спричинило внутрішнє коротке замикання, що призвело до вибуху батареї, аварія спричинена samsung electronics втрати понад 6 мільярдів доларів.

3. Металева стороння речовина: металева стороння речовина є продуктивністю вбивці літій-іонної батареї, може походити від пасти, обладнання або навколишнього середовища. Більші частки металевих сторонніх речовин можуть безпосередньо спричинити фізичне коротке замикання, і коли металеві сторонні речовини змішані з позитивним електродом, вони окисляться, а потім осідають на поверхні негативного електрода, проколюючи діафрагму та зрештою викликаючи внутрішню коротке замикання в акумуляторі, що становить серйозну загрозу безпеці. Звичайними металевими сторонніми речовинами є Fe, Cu, Zn, Sn тощо.

Машина для намотування літієвої батареї використовується для намотування елементів літієвої батареї, яка є свого роду обладнанням для складання листа позитивного електрода, листа негативного електрода та діафрагми в пакет сердечників (JR: JellyRoll) безперервним обертанням. Внутрішнє обладнання для виробництва намотування розпочалося в 2006 році з напівавтоматичного круглого, напівавтоматичного квадратного намотування, автоматизованого виробництва плівки, а потім розвинулося в комбіновану автоматизацію, машину для намотування плівки, лазерну машину для намотування висікань, машину безперервної намотування анода, безперервну намотування діафрагми машина, і так далі.

Тут ми особливо рекомендуємо Yixinfeng лазерне висікання намотування та штовхання плоскої машини. Ця машина поєднує передову технологію лазерного висікання, ефективний процес намотування та точну функцію штовхання, що може значно підвищити ефективність виробництва та якість літієвої батареї. Він має такі вагомі переваги:


1. Високоточне висікання: Забезпечте точний розмір полюсного наконечника та діафрагми, зменшіть відходи матеріалу та покращте консистенцію батареї.
2. Стабільний намотування: оптимізований механізм намотування та система керування забезпечують щільну та стабільну структуру сердечника, зменшують внутрішній опір та покращують продуктивність батареї.
3. Високоефективне вирівнювання: унікальний дизайн вирівнювання робить поверхню ядер плоскою, зменшує нерівномірну внутрішню напругу та подовжує термін служби акумулятора.
4. Інтелектуальне керування: оснащений розширеним інтерфейсом взаємодії між людиною та комп’ютером, він реалізує точне налаштування параметрів і моніторинг у режимі реального часу, легке керування та легке обслуговування.
5. Широкий діапазон сумісності: він також може працювати з 18, 21, 32, 46, 50, 60 усіма моделями акумуляторних елементів, щоб задовольнити ваші різноманітні виробничі потреби.

Обладнання з літій-іонними акумуляторами
Виберіть Yixinfeng для лазерного висікання, намотування та штовхання, щоб підвищити якість та ефективність виробництва літієвих батарей!