Máy cuộn dây pin lithium: Nguyên tắc, quy trình chính và nguyên tắc kiểm soát chất lượng

Trong quy trình sản xuất pin lithium-ion, thường có một số cách phân chia quy trình. Quá trình này có thể được chia thành ba quy trình chính: sản xuất điện cực, quy trình lắp ráp và thử nghiệm tế bào (như trong hình bên dưới), và cũng có những công ty chia nó thành quy trình trước cuộn dây và sau cuộn dây, và điểm phân định này là quá trình cuộn dây. Do chức năng tích hợp mạnh mẽ, có thể làm cho pin xuất hiện hình dạng ban đầu, do đó quá trình cuộn dây trong sản xuất pin lithium-ion đóng vai trò then chốt, là chìa khóa, quá trình cuộn dây được tạo ra bởi lõi cuộn thường được gọi là trần pin (Jelly-Roll, gọi tắt là JR).

Quy trình sản xuất pin lithium-ion
Trong quy trình sản xuất pin lithium-ion, quy trình cuộn dây lõi được minh họa như sau. Thao tác cụ thể là cuộn mảnh cực dương, mảnh cực âm và màng cách ly lại với nhau thông qua cơ cấu kim của máy cuộn, và các mảnh cực dương và cực âm liền kề được cách ly bằng màng cách ly để tránh đoản mạch. Sau khi quấn xong, lõi được cố định bằng giấy dính để tránh lõi bị bung ra rồi mới chuyển sang công đoạn tiếp theo. Trong quá trình này, điều quan trọng là đảm bảo rằng không có tiếp xúc vật lý giữa các điện cực dương và âm và tấm điện cực âm có thể bao phủ hoàn toàn tấm điện cực dương theo cả hướng ngang và dọc.

Sơ đồ quy trình quấn dây
Trong quá trình cuộn dây của lõi, thông thường, hai chốt cuộn kẹp hai lớp màng ngăn để cuộn dây trước, sau đó lần lượt đưa mảnh cực dương hoặc âm và mảnh cực được kẹp giữa hai lớp màng ngăn để cuộn dây. Theo hướng dọc của lõi, màng ngăn vượt quá màng ngăn âm và màng ngăn âm vượt quá màng ngăn dương, để tránh đoản mạch tiếp xúc giữa màng ngăn dương và âm.

Sơ đồ cơ hoành kẹp cuộn dây kim

Bản vẽ vật lý máy quấn dây tự động

Máy cuộn dây là thiết bị quan trọng để thực hiện quá trình cuộn dây lõi. Tham khảo sơ đồ trên, các thành phần và chức năng chính của nó như sau:

1. Hệ thống cung cấp mảnh cực: truyền các mảnh cực dương và âm dọc theo ray dẫn hướng tới hai lớp màng ngăn giữa phía AA và phía BB tương ứng để đảm bảo cung cấp ổn định các mảnh cực.
2. Hệ thống tháo cuộn màng: Nó bao gồm các màng ngăn trên và dưới để thực hiện việc cung cấp màng ngăn tự động và liên tục cho kim cuộn dây.
3. Hệ thống kiểm soát lực căng: để kiểm soát độ căng không đổi của màng trong quá trình quấn dây.
4. Hệ thống quấn và dán: dùng để dán và cố định lõi sau khi quấn.
5. Hệ thống băng tải dỡ hàng: Tự động tháo lõi ra khỏi kim và thả lên băng tải tự động.
6. Công tắc chân: Khi không có hiện tượng bất thường, hãy đạp lên công tắc chân để điều khiển hoạt động bình thường của cuộn dây.
7. Giao diện tương tác giữa người và máy tính: với cài đặt tham số, gỡ lỗi thủ công, nhắc nhở cảnh báo và các chức năng khác.

Từ những phân tích về quá trình quấn dây ở trên, có thể thấy rằng cuộn dây của lõi điện chứa hai liên kết không thể tránh khỏi: đẩy kim và kéo kim.
Quá trình đẩy kim: hai cuộn kim mở rộng dưới tác động của lực đẩy trụ kim, qua hai bên màng ngăn, hai cuộn kim được hình thành do sự kết hợp của trụ kim đưa vào ống tay áo, cuộn kim Gần để kẹp màng ngăn, đồng thời hai cuộn kim hợp nhất tạo thành hình đối xứng cơ bản, làm lõi của cuộn dây lõi.

Sơ đồ quy trình đẩy kim

Quá trình bơm kim: sau khi cuộn lõi hoàn thành, hai kim được rút lại dưới tác động của xi lanh bơm kim, xi lanh kim được rút ra khỏi ống bọc, quả bóng trong thiết bị kim đóng kim dưới tác dụng của lò xo, và hai kim được cuộn theo hướng ngược nhau và kích thước của đầu tự do của kim được giảm xuống để tạo thành một khoảng cách nhất định giữa kim và bề mặt bên trong của lõi, và khi kim rút lại so với ống bọc giữ, kim và lõi có thể được tách ra một cách trơn tru.

Sơ đồ quy trình chiết kim

“Kim” trong quá trình đẩy và rút kim ở trên dùng để chỉ kim, là thành phần cốt lõi của máy quấn, có tác động đáng kể đến tốc độ quấn và chất lượng của lõi. Hiện nay, hầu hết các máy quấn dây đều sử dụng kim hình tròn, bầu dục và dẹt. Đối với kim tròn và hình bầu dục, do tồn tại một vòng cung nhất định sẽ dẫn đến biến dạng tai cực của lõi, trong quá trình ép lõi sau đó cũng dễ gây ra nếp nhăn bên trong và biến dạng của lõi. Đối với kim phẳng hình kim cương, do có sự chênh lệch kích thước lớn giữa trục dài và trục ngắn nên lực căng của mảnh cực và màng ngăn thay đổi đáng kể, đòi hỏi động cơ truyền động phải quay với tốc độ thay đổi, khiến quá trình khó kiểm soát, và tốc độ cuộn dây thường thấp.

Sơ đồ các kim quấn thông dụng

Lấy kim hình kim cương phẳng phức tạp và phổ biến nhất làm ví dụ, trong quá trình cuộn dây và quay của nó, các mảnh cực dương và âm và màng ngăn luôn được quấn quanh sáu điểm góc B, C, D, E, F và G là điểm hỗ trợ.

Sơ đồ quay kim cuộn phẳng hình kim cương

Do đó, quá trình cuộn dây có thể được chia thành các cuộn dây phân đoạn với bán kính OB, OC, OD, OE, OF, OG và chỉ cần phân tích sự thay đổi tốc độ đường dây trong bảy phạm vi góc giữa θ0, θ1, θ2, θ3, θ4, θ5, θ6 và θ7, nhằm mô tả một cách định lượng đầy đủ quá trình quay theo chu kỳ của kim quấn.

Sơ đồ các góc quay khác nhau của kim

Dựa vào mối quan hệ lượng giác có thể suy ra mối quan hệ tương ứng.

Từ phương trình trên, dễ dàng nhận thấy khi quấn kim với vận tốc góc không đổi thì vận tốc tuyến tính của dây quấn và góc tạo thành giữa điểm tựa của kim với các mảnh cực dương, cực âm và màng ngăn là trong một mối quan hệ chức năng được phân đoạn. Mối quan hệ hình ảnh giữa hai cái được Matlab mô phỏng như sau:

Thay đổi tốc độ cuộn dây ở các góc khác nhau

Bằng trực giác, rõ ràng là tỷ lệ giữa vận tốc tuyến tính tối đa và vận tốc tuyến tính tối thiểu trong quá trình quấn của kim phẳng hình kim cương trong hình có thể lớn hơn 10 lần. Sự thay đổi lớn về tốc độ đường dây như vậy sẽ gây ra sự dao động lớn về độ căng của các điện cực dương, âm và màng ngăn, đây là nguyên nhân chính gây ra sự dao động về độ căng của cuộn dây. Sự dao động lực căng quá mức có thể dẫn đến hiện tượng giãn màng trong quá trình cuộn dây, màng ngăn co lại sau khi cuộn dây và khoảng cách giữa các lớp nhỏ ở các góc bên trong lõi sau khi ép lõi. Trong quá trình sạc, sự giãn nở của mảnh cực khiến ứng suất theo hướng chiều rộng của lõi không tập trung, dẫn đến mô men uốn, dẫn đến biến dạng của mảnh cực và pin lithium đã chuẩn bị cuối cùng xuất hiện "S " sự biến dạng.

Hình ảnh CT và sơ đồ tháo lõi biến dạng chữ “S”

Hiện nay, để giải quyết vấn đề chất lượng lõi kém (chủ yếu là biến dạng) do hình dạng của kim cuộn gây ra, người ta thường sử dụng hai phương pháp: cuộn dây có lực căng thay đổi và cuộn dây có tốc độ thay đổi.

1. Cuộn dây có lực căng thay đổi: Lấy pin hình trụ làm ví dụ, dưới vận tốc góc không đổi, vận tốc tuyến tính tăng theo số lớp cuộn dây, dẫn đến lực căng tăng lên. Cuộn dây có độ căng thay đổi, nghĩa là thông qua hệ thống kiểm soát độ căng, sao cho lực căng tác dụng lên mảnh cực hoặc màng ngăn tăng số lớp cuộn dây và giảm tuyến tính, sao cho trong trường hợp tốc độ quay không đổi, nhưng vẫn có thể làm cho toàn bộ quá trình cuộn dây của lực căng càng xa càng tốt để duy trì một hằng số. Một số lượng lớn các thí nghiệm cuộn dây có lực căng thay đổi đã dẫn đến các kết luận sau:
Một. Sức căng cuộn dây càng nhỏ thì hiệu quả cải thiện biến dạng lõi càng tốt.
b. Trong quá trình cuộn dây có tốc độ không đổi, khi đường kính lõi tăng lên, lực căng giảm tuyến tính với nguy cơ biến dạng thấp hơn so với cuộn dây có lực căng không đổi.
2. Cuộn dây có tốc độ thay đổi: Lấy ô vuông làm ví dụ, kim cuộn dây phẳng hình kim cương thường được sử dụng. Khi kim được quấn ở tốc độ góc không đổi, tốc độ tuyến tính dao động đáng kể, dẫn đến sự chênh lệch lớn về khoảng cách các lớp ở các góc của lõi. Tại thời điểm này, nhu cầu thay đổi tốc độ tuyến tính diễn ra ngược lại quy luật thay đổi tốc độ quay, nghĩa là cuộn dây của tốc độ quay với sự thay đổi và thay đổi góc, để nhận ra quá trình cuộn dây có dao động tốc độ tuyến tính nhỏ càng tốt, để đảm bảo rằng dao động căng thẳng trong phạm vi giá trị biên độ nhỏ.

Nói tóm lại, hình dạng của kim cuộn dây có thể ảnh hưởng đến độ phẳng của tai cực (hiệu suất lõi và hiệu suất điện), tốc độ cuộn dây (năng suất), độ đồng đều ứng suất bên trong lõi (vấn đề biến dạng bề ngoài), v.v. Đối với pin hình trụ, kim tròn thường được sử dụng; Đối với pin vuông, người ta thường sử dụng kim hình elip hoặc hình thoi dẹt (trong một số trường hợp, kim tròn còn có thể dùng để quấn và làm phẳng lõi để tạo thành lõi vuông). Ngoài ra, một lượng lớn dữ liệu thực nghiệm cho thấy chất lượng lõi có tác động quan trọng đến hiệu suất điện hóa và hiệu suất an toàn của pin cuối cùng.

Dựa trên cơ sở này, chúng tôi đã sắp xếp một số mối quan tâm và biện pháp phòng ngừa chính trong quá trình cuộn dây của pin lithium, với hy vọng tránh được những hoạt động không đúng trong quá trình cuộn dây càng nhiều càng tốt để sản xuất pin lithium đáp ứng yêu cầu chất lượng.

Để hình dung các khuyết tật của lõi, lõi có thể được ngâm trong nhựa epoxy keo AB để đóng rắn, sau đó mặt cắt ngang có thể được cắt và đánh bóng bằng giấy nhám. Tốt nhất là quan sát các mẫu đã chuẩn bị dưới kính hiển vi hoặc kính hiển vi điện tử quét để thu được bản đồ khuyết tật bên trong của lõi.

Bản đồ khuyết tật bên trong của lõi
(a) Hình vẽ thể hiện một lõi đủ tiêu chuẩn và không có khiếm khuyết bên trong rõ ràng.
(b) Trong hình, mảnh cực rõ ràng bị xoắn và biến dạng, có thể liên quan đến độ căng của cuộn dây, lực căng quá lớn khiến mảnh cực bị nhăn và loại khuyết tật này sẽ làm cho giao diện pin và lithium bị hỏng. mưa, sẽ làm giảm hiệu suất của pin.
(c) Có vật lạ giữa điện cực và màng ngăn như trong hình. Khiếm khuyết này có thể dẫn đến hiện tượng tự phóng điện nghiêm trọng và thậm chí gây ra các vấn đề về an toàn, nhưng nó thường có thể được phát hiện trong thử nghiệm Hi-pot.
(d) Điện cực trong hình có dạng khuyết tật âm và dương, có thể dẫn đến hiệu suất thấp hoặc kết tủa lithium.
(e) Điện cực trong hình có lẫn bụi bên trong, điều này có thể dẫn đến khả năng tự phóng điện của pin tăng lên.

Ngoài ra, các khuyết tật bên trong lõi cũng có thể được đặc trưng bằng thử nghiệm không phá hủy, chẳng hạn như thử nghiệm bằng tia X và CT thường được sử dụng. Sau đây là phần giới thiệu ngắn gọn về một số lỗi quy trình cốt lõi phổ biến:

1. Độ phủ của mảnh cực kém: mảnh cực âm cục bộ không được bao phủ hoàn toàn bằng mảnh cực dương, điều này có thể dẫn đến biến dạng pin và kết tủa lithium, dẫn đến tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn.

2. Biến dạng của mảnh cực: mảnh cực bị biến dạng do đùn, có thể gây ra đoản mạch bên trong và gây ra các vấn đề an toàn nghiêm trọng.

Điều đáng nói là năm 2017 xảy ra vụ nổ điện thoại di động samsung note7 chấn động, kết quả điều tra là do cực âm bên trong pin bị ép gây chập mạch bên trong khiến pin phát nổ, tai nạn gây ra tai nạn điện tử samsung. thiệt hại hơn 6 tỷ USD.

3. Tạp chất kim loại: tạp chất kim loại là hiệu suất của chất diệt pin lithium-ion, có thể đến từ chất dán, thiết bị hoặc môi trường. Các hạt kim loại lạ lớn hơn có thể trực tiếp gây ra đoản mạch vật lý và khi vật lạ kim loại trộn vào điện cực dương, nó sẽ bị oxy hóa và sau đó đọng lại trên bề mặt của điện cực âm, xuyên qua màng ngăn và cuối cùng gây ra hiện tượng bên trong chập mạch trong pin, gây nguy hiểm nghiêm trọng về an toàn. Các chất lạ kim loại phổ biến là Fe, Cu, Zn, Sn, v.v.

Máy quấn pin lithium dùng để quấn các cell pin lithium, là loại thiết bị lắp ráp các tấm điện cực dương, tấm điện cực âm và màng ngăn thành một gói lõi (JR: JellyRoll) bằng cách quay liên tục. Thiết bị sản xuất cuộn dây trong nước bắt đầu từ năm 2006, từ cuộn tròn bán tự động, cuộn vuông bán tự động, sản xuất màng tự động, sau đó phát triển thành tự động hóa kết hợp, máy cuộn màng, máy cuộn cắt khuôn laser, máy cuộn liên tục anode, cuộn liên tục màng máy, vân vân.

Ở đây, chúng tôi đặc biệt khuyên dùng máy cuộn và đẩy phẳng bằng laser Yixinfeng. Máy này kết hợp công nghệ cắt khuôn bằng laser tiên tiến, quy trình cuộn dây hiệu quả và chức năng đẩy chính xác, có thể cải thiện đáng kể hiệu quả sản xuất và chất lượng của pin lithium. Nó có những ưu điểm đáng kể sau:


1. Cắt khuôn có độ chính xác cao: Đảm bảo kích thước chính xác của mảnh cực và màng ngăn, giảm lãng phí vật liệu và cải thiện tính nhất quán của pin.
2. Cuộn dây ổn định: Cơ chế cuộn dây và hệ thống điều khiển được tối ưu hóa đảm bảo cấu trúc lõi chặt chẽ và ổn định, giảm điện trở trong và cải thiện hiệu suất của pin.
3. Cân bằng hiệu quả cao: Thiết kế cân bằng độc đáo làm cho bề mặt của lõi phẳng, giảm căng thẳng bên trong không đồng đều và kéo dài tuổi thọ pin.
4. Điều khiển thông minh: Được trang bị giao diện tương tác giữa người và máy tính tiên tiến, nó thực hiện cài đặt thông số chính xác và giám sát thời gian thực, vận hành dễ dàng và bảo trì dễ dàng.
5. Khả năng tương thích rộng: nó cũng có thể thực hiện 18, 21, 32, 46, 50, 60 tất cả các mẫu pin, để đáp ứng nhu cầu sản xuất đa dạng của bạn.

Thiết Bị Pin Lithium - Ion
Hãy chọn máy cắt, cuộn và đẩy laser Yixinfeng để mang lại chất lượng và hiệu quả cao hơn cho quá trình sản xuất pin lithium của bạn!