Wickelmaschine für Lithiumbatterien: Prinzipien, Schlüsselprozesse und Richtlinien zur Qualitätskontrolle

Im Herstellungsprozess von Lithium-Ionen-Batterien gibt es in der Regel mehrere Möglichkeiten, den Prozess zu unterteilen. Der Prozess kann in drei Hauptprozesse unterteilt werden: Elektrodenherstellung, Montageprozess und Zellprüfung (wie in der Abbildung unten dargestellt), und es gibt auch Unternehmen, die ihn in Vor-WindDer Wickelprozess ist ein Trennpunkt zwischen Wickel- und Nachwickelprozessen. Aufgrund seiner starken Integrationsfunktion kann er das Aussehen der Batterie beim ersten Formen bestimmen. Daher spielt der Wickelprozess bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien eine zentrale Rolle. Der durch Wickeln erzeugte gerollte Kern wird oft als bloße Batteriezelle (Jelly-Roll, kurz JR) bezeichnet.

Herstellungsprozess von Lithium-Ionen-Batterien
Im Herstellungsprozess von Lithium-Ionen-Batterien wird der Kernwickelprozess wie folgt dargestellt. Der spezifische Vorgang besteht darin, den positiven Polschuh, den negativen Polschuh und die Isolationsfolie gemeinsam durch die WickelmaschineDer Nadelmechanismus und die benachbarten positiven und negativen Polstücke sind durch eine Isolierfolie isoliert, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Nach Abschluss der Wicklung wird der Kern mit Klebeband fixiert, um ein Auseinanderfallen zu verhindern. Anschließend geht es weiter. Dabei ist es wichtig sicherzustellen, dass kein physischer Kontakt zwischen den positiven und negativen Elektroden besteht und dass die negative Elektrodenfolie die positive Elektrodenfolie horizontal und vertikal vollständig bedeckt.

Schematische Darstellung des Wickelvorgangs
Beim Wickeln des Kerns klemmen üblicherweise zwei Spannstifte zwei Membranlagen zum Vorwickeln ein und führen dann abwechselnd den positiven oder negativen Polschuh ein. Der Polschuh wird zum Wickeln zwischen die beiden Membranlagen geklemmt. In Längsrichtung des Kerns überragt die Membran die negative Membran und die negative Membran die positive Membran, um einen Kontaktkurzschluss zwischen der positiven und der negativen Membran zu vermeiden.

Schematische Darstellung der Wickelnadel-Klemmmembran

Physische Zeichnung einer automatischen Wickelmaschine

Die Wickelmaschine ist das wichtigste Gerät für den Kernwickelprozess. Die Hauptkomponenten und Funktionen sind wie folgt:

1. Polstück-Zufuhrsystem: Transportieren Sie die positiven und negativen Polstücke entlang der Führungsschiene zu den beiden Membranschichten zwischen der AA-Seite und der BB-Seite, um eine stabile Versorgung mit Polstücken sicherzustellen.
2. Membranabwickelsystem: Es umfasst obere und untere Membranen, um die automatische und kontinuierliche Zufuhr von Membranen zur Wickelnadel zu gewährleisten.
3. Spannungskontrollsystem: zur Kontrolle der konstanten Spannung der Membran während des Wickelvorgangs.
4. Wickel- und Klebesystem: zum Verkleben und Fixieren der Kerne nach dem Wickeln.
5. Entladefördersystem: Die Kerne werden automatisch von den Nadeln abmontiert und auf das automatische Förderband fallen gelassen.
6. Fußschalter: Wenn kein anormaler Zustand vorliegt, treten Sie auf den Fußschalter, um den normalen Wickelvorgang zu steuern.
7. Mensch-Computer-Interaktionsschnittstelle: mit Parametereinstellung, manuellem Debugging, Alarmaufforderungen und anderen Funktionen.

Aus der obigen Analyse des Wickelvorgangs ist ersichtlich, dass die Wicklung des elektrischen Kerns zwei unvermeidliche Verbindungen enthält: das Drücken und Ziehen der Nadel.
Nadelschiebevorgang: Unter der Einwirkung des Nadelschiebezylinders fahren die beiden Nadelrollen durch beide Seiten der Membran. Die beiden Nadelrollen werden durch die Kombination des in die Hülse eingesetzten Nadelzylinders gebildet. Die Nadelrollen schließen sich, um die Membran festzuklemmen. Gleichzeitig verschmelzen die beiden Nadelrollen zu einer grundsätzlich symmetrischen Form, die wie der Kern der Kernwicklung aussieht.

Schematische Darstellung des Nadeleindrückvorgangs

Nadelpumpvorgang: Nachdem das Wickeln des Kerns abgeschlossen ist, werden die beiden Nadeln unter der Wirkung des Nadelpumpzylinders zurückgezogen, der Nadelzylinder wird aus der Hülse gezogen, die Kugel in der Nadelvorrichtung schließt die Nadel unter der Wirkung der Feder, und die beiden Nadeln werden in entgegengesetzte Richtungen gewickelt, und die Größe des freien Endes der Nadel wird reduziert, um einen bestimmten Spalt zwischen der Nadel und der Innenfläche des Kerns zu bilden, und wenn die Nadel relativ zur Haltehülse zurückgezogen ist, können die Nadeln und der Kern reibungslos getrennt werden.

Schematische Darstellung des Nadelextraktionsprozesses

Die oben genannte „Nadel“ beim Ein- und Ausschieben der Nadel ist die Nadel, die als Kernkomponente der Wickelmaschine die Wickelgeschwindigkeit und die Qualität des Kerns maßgeblich beeinflusst. Derzeit verwenden die meisten Wickelmaschinen runde, ovale und flache, rautenförmige Nadeln. Bei runden und ovalen Nadeln führt die vorhandene Krümmung zu einer Verformung der Polschuhe des Kerns. Beim anschließenden Pressen des Kerns kann es außerdem leicht zu inneren Falten und Verformungen des Kerns kommen. Bei flachen, rautenförmigen Nadeln schwankt die Spannung des Polschuhs und der Membran aufgrund des großen Größenunterschieds zwischen der langen und der kurzen Achse erheblich, sodass der Antriebsmotor mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten wickeln muss, was den Vorgang schwer steuerbar macht und die Wickelgeschwindigkeit normalerweise niedrig macht.

Schematische Darstellung gängiger Wickelnadeln

Nehmen wir als Beispiel die komplizierteste und häufigste flache rautenförmige Nadel: Beim Wickeln und Drehen sind die positiven und negativen Polstücke und die Membran immer um die sechs Eckpunkte B, C, D, E, F und G als Stützpunkt gewickelt.

Schematische Darstellung der Rotation einer flachen, rautenförmigen Wickelnadel

Daher kann der Wickelvorgang in Segmentwicklungen mit OB, OC, OD, OE, OF, OG als Radius unterteilt werden. Um den zyklischen Rotationsprozess der Wickelnadel vollständig quantitativ zu beschreiben, muss lediglich die Änderung der Liniengeschwindigkeit in den sieben Winkelbereichen zwischen θ0, θ1, θ2, θ3, θ4, θ5, θ6 und θ7 analysiert werden.

Schematische Darstellung verschiedener Nadeldrehwinkel

Basierend auf der trigonometrischen Beziehung kann die entsprechende Beziehung abgeleitet werden.

Aus der obigen Gleichung lässt sich leicht erkennen, dass bei konstanter Winkelgeschwindigkeit der Wickelnadel die lineare Wickelgeschwindigkeit und der Winkel zwischen dem Nadelstützpunkt, den positiven und negativen Polschuhen und der Membran in einer segmentierten Funktionsbeziehung stehen. Die Bildbeziehung zwischen beiden wird mit Matlab wie folgt simuliert:

Änderungen der Wickelgeschwindigkeit bei unterschiedlichen Winkeln

Es ist intuitiv offensichtlich, dass das Verhältnis der maximalen zur minimalen Lineargeschwindigkeit beim Wickeln der flachen, rautenförmigen Nadel in der Abbildung mehr als das Zehnfache betragen kann. Eine solch starke Änderung der Liniengeschwindigkeit führt zu starken Spannungsschwankungen der positiven und negativen Elektroden sowie der Membran, die die Hauptursache für Schwankungen der Wickelspannung sind. Übermäßige Spannungsschwankungen können zu einer Dehnung der Membran während des Wickelvorgangs, einem Schrumpfen der Membran nach dem Wickeln und einem kleinen Lagenabstand an den Ecken im Kern nach dem Kernpressen führen. Beim Laden führt die Ausdehnung des Polstücks dazu, dass die Spannung in Richtung der Kernbreite nicht konzentriert ist, was zu einem Biegemoment führt, das den Polstück verformt und die vorbereitete Lithiumbatterie Schließlich tritt eine S-förmige Verformung auf.

CT-Bild und Demontagediagramm des „S“-verformten Kerns

Um das Problem der schlechten Kernqualität (hauptsächlich Verformung), das durch die Form der Wickelnadel verursacht wird, zu lösen, werden derzeit üblicherweise zwei Methoden verwendet: Wickeln mit variabler Spannung und Wickeln mit variabler Geschwindigkeit.

1. Wicklung mit variabler Spannung: Am Beispiel einer zylindrischen Batterie steigt bei konstanter Winkelgeschwindigkeit die lineare Geschwindigkeit mit der Anzahl der Wicklungslagen, was zu einem Spannungsanstieg führt. Durch die Wicklung mit variabler Spannung wird die auf den Polschuh oder die Membran ausgeübte Spannung mit zunehmender Anzahl der Wicklungslagen linear reduziert, sodass bei konstanter Drehzahl die Spannung während des gesamten Wicklungsprozesses möglichst konstant gehalten werden kann. Zahlreiche Wicklungsversuche mit variabler Spannung führten zu folgenden Schlussfolgerungen:
a. Je geringer die Wickelspannung, desto besser ist der Verbesserungseffekt hinsichtlich der Kernverformung.
b. Beim Wickeln mit konstanter Geschwindigkeit nimmt die Spannung mit zunehmendem Kerndurchmesser linear ab, wobei das Risiko einer Verformung geringer ist als beim Wickeln mit konstanter Spannung.
2. Wickeln mit variabler Geschwindigkeit: Am Beispiel einer quadratischen Zelle wird üblicherweise eine flache, rautenförmige Wickelnadel verwendet. Beim Wickeln der Nadel mit konstanter Winkelgeschwindigkeit schwankt die lineare Geschwindigkeit stark, was zu großen Unterschieden im Lagenabstand an den Ecken des Kerns führt. Dabei ist es notwendig, bei linearen Geschwindigkeitsänderungen das Gesetz der Drehzahländerung umzukehren, d. h. die Drehzahl des Wickels muss mit der Winkeländerung korrespondieren, um die linearen Geschwindigkeitsschwankungen beim Wickeln so gering wie möglich zu halten und Spannungsschwankungen im Bereich kleiner Amplitudenwerte zu gewährleisten.

Kurz gesagt: Die Form der Wickelnadel kann die Ebenheit des Pol-Ohrs (Kernausbeute und elektrische Leistung), die Wickelgeschwindigkeit (Produktivität), die Gleichmäßigkeit der inneren Kernspannung (Probleme mit sichtbaren Verformungen) usw. beeinflussen. Für zylindrische Batterien werden üblicherweise runde Nadeln verwendet; für quadratische Batterien werden üblicherweise elliptische oder flache rhombische Nadeln verwendet (in manchen Fällen können auch runde Nadeln zum Wickeln und Abflachen des Kerns verwendet werden, um einen quadratischen Kern zu bilden). Zahlreiche experimentelle Daten zeigen zudem, dass die Qualität der Kerne einen wichtigen Einfluss auf die elektrochemische Leistung und die Sicherheitsleistung der fertigen Batterie hat.

Auf dieser Grundlage haben wir einige wichtige Bedenken und Vorsichtsmaßnahmen beim Wickelprozess von Lithiumbatterien aussortiert, in der Hoffnung, unsachgemäße Vorgänge beim Wickelprozess so weit wie möglich zu vermeiden, um Lithiumbatterien herzustellen, die den Qualitätsanforderungen entsprechen.

Um die Kerndefekte sichtbar zu machen, kann der Kern zum Aushärten in AB-Kleber-Epoxidharz getaucht werden. Anschließend kann der Querschnitt geschnitten und mit Sandpapier poliert werden. Am besten betrachten Sie die vorbereiteten Proben unter einem Mikroskop oder Rasterelektronenmikroskop, um die inneren Defekte des Kerns abzubilden.

Interne Defektkarte des Kerns
(a) Die Abbildung zeigt einen qualifizierten Kern ohne offensichtliche innere Defekte.
(b) In der Abbildung ist das Polstück offensichtlich verdreht und verformt, was möglicherweise mit der Wicklungsspannung zusammenhängt. Die Spannung ist zu groß, um Falten im Polstück zu verursachen. Diese Art von Defekten führt zu einer Verschlechterung der Batterieschnittstelle und zu Lithiumablagerungen, was wiederum die Leistung der Batterie beeinträchtigt.
(c) Zwischen Elektrode und Membran befindet sich ein Fremdkörper. Dieser Defekt kann zu schwerwiegender Selbstentladung und sogar Sicherheitsproblemen führen, lässt sich aber in der Regel im Hochspannungstest erkennen.
(d) Die Elektrode in der Abbildung weist ein negatives und positives Defektmuster auf, was zu geringer Kapazität oder Lithiumausfällung führen kann.
(e) Die Elektrode in der Abbildung enthält Staub, der zu einer erhöhten Selbstentladung der Batterie führen kann.

Darüber hinaus können Defekte im Kern auch durch zerstörungsfreie Prüfungen, wie beispielsweise die häufig verwendeten Röntgen- und CT-Prüfungen, charakterisiert werden. Im Folgenden finden Sie eine kurze Einführung in einige häufige Kernprozessdefekte:

1. Schlechte Abdeckung des Polstücks: Das lokale negative Polstück ist nicht vollständig mit dem positiven Polstück bedeckt, was zu einer Verformung der Batterie und Lithiumausfällung führen kann, was potenzielle Sicherheitsrisiken birgt.

2. Verformung des Polstücks: Das Polstück wird durch Extrusion verformt, was einen internen Kurzschluss auslösen und ernsthafte Sicherheitsprobleme mit sich bringen kann.

Erwähnenswert ist der aufsehenerregende Fall der Explosion des Mobiltelefons Samsung Note7 im Jahr 2017. Die Untersuchung ergab, dass die negative Elektrode im Inneren der Batterie zusammengedrückt wurde und dadurch ein innerer Kurzschluss entstand, der die Batterie explodieren ließ. Durch den Unfall entstand für Samsung Electronics ein Schaden von mehr als 6 Milliarden Dollar.

3. Metallische Fremdkörper: Metallische Fremdkörper beeinträchtigen die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien und können aus der Paste, dem Gerät oder der Umgebung stammen. Größere Partikel metallischer Fremdkörper können direkt einen physikalischen Kurzschluss verursachen. Gelangen metallische Fremdkörper in die positive Elektrode, oxidieren sie und lagern sich auf der Oberfläche der negativen Elektrode ab. Dadurch wird die Membran durchbohrt und es kommt zu einem internen Kurzschluss in der Batterie, der ein ernstes Sicherheitsrisiko darstellt. Häufige metallische Fremdkörper sind Fe, Cu, Zn, Sn usw.

Die Wickelmaschine für Lithiumbatterien wird zum Wickeln von Lithiumbatteriezellen verwendet. Dabei handelt es sich um eine Art Anlage zum Zusammenfügen von positiven und negativen Elektrodenblättern sowie Membranen zu einem Kernpaket (JR: JellyRoll) durch kontinuierliche Rotation. Die Herstellung von inländischen Wickelmaschinen begann 2006 mit der halbautomatischen Rund- und Quadratwicklung sowie der automatisierten Folienproduktion und entwickelte sich dann zu kombinierter Automatisierung, Folienwickelmaschinen, Laserstanzwickelmaschinen, Anodenwickelmaschinen, Membranwickelmaschinen usw.

Hier empfehlen wir insbesondere die Laser-Stanz-, Wickel- und Flachschiebemaschine von Yixinfeng. Diese Maschine kombiniert fortschrittliche Laser-Stanztechnologie, einen effizienten Wickelprozess und eine präzise Schiebefunktion, wodurch die Produktionseffizienz und -qualität von Lithiumbatterien deutlich verbessert werden kann. Sie bietet folgende wesentliche Vorteile:


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2. Stabile Wicklung: Ein optimierter Wicklungsmechanismus und ein optimiertes Steuerungssystem sorgen für eine dichte und stabile Kernstruktur, verringern den Innenwiderstand und verbessern die Batterieleistung.
3. Hocheffiziente Nivellierung: Das einzigartige Nivellierungsdesign macht die Oberfläche der Kerne flach, reduziert ungleichmäßige innere Spannungen und verlängert die Batterielebensdauer.
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