Bobinadora de baterías de litio: principios, procesos clave y directrices de control de calidad

En el proceso de fabricación de baterías de iones de litio, existen varias maneras de dividirlo. Este proceso se puede dividir en tres procesos principales: fabricación de electrodos, ensamblaje y prueba de celdas (como se muestra en la figura a continuación). Algunas empresas también lo dividen en prebobinado y postbobinado, siendo este punto de demarcación el proceso de bobinado. Debido a su fuerte función de integración, la batería adquiere su apariencia inicial en el moldeo. Por ello, el proceso de bobinado, al ser un elemento fundamental en la fabricación de baterías de iones de litio, es clave. El proceso de bobinado, producido por el núcleo laminado, se conoce a menudo como celda de batería desnuda (Jelly-Roll, o JR).

Proceso de fabricación de baterías de iones de litio
En el proceso de fabricación de baterías de iones de litio, el proceso de bobinado del núcleo se ilustra a continuación. La operación específica consiste en enrollar las piezas polares positiva y negativa junto con la película aislante a través del mecanismo de agujas de la bobinadora. Las piezas polares positiva y negativa adyacentes se aíslan con la película aislante para evitar cortocircuitos. Una vez finalizado el bobinado, el núcleo se fija con papel adhesivo de cierre para evitar su desprendimiento y, a continuación, pasa al siguiente proceso. En este proceso, es fundamental garantizar que no haya contacto físico entre los electrodos positivo y negativo, y que la lámina del electrodo negativo cubra completamente la lámina del electrodo positivo, tanto horizontal como verticalmente.

Diagrama esquemático del proceso de bobinado
Durante el bobinado del núcleo, dos pasadores de rodillo sujetan dos capas de diafragma para el prebobinado y, a continuación, alimentan la pieza polar positiva o negativa, una a una. La pieza polar se sujeta entre las dos capas de diafragma para el bobinado. En la dirección longitudinal del núcleo, el diafragma sobrepasa al negativo, y este al positivo, para evitar cortocircuitos entre ambos.

Diagrama esquemático del diafragma de sujeción de la aguja de bobinado

Dibujo físico de la máquina bobinadora automática.

La bobinadora es el equipo clave para realizar el proceso de bobinado de núcleos. Según el diagrama anterior, sus principales componentes y funciones son los siguientes:

1. Sistema de suministro de piezas polares: transporta las piezas polares positiva y negativa a lo largo del riel guía hasta las dos capas de diafragma entre el lado AA y el lado BB respectivamente para garantizar el suministro estable de piezas polares.
2. Sistema de desenrollado de diafragma: Incluye diafragmas superior e inferior para realizar el suministro automático y continuo de diafragmas a la aguja de bobinado.
3. Sistema de control de tensión: para controlar la tensión constante del diafragma durante el proceso de bobinado.
4. Sistema de bobinado y encolado: para pegar y fijar los núcleos después del bobinado.
5. Sistema transportador de descarga: Desmonta automáticamente los núcleos de las agujas y los deja caer sobre la cinta transportadora automática.
6. Interruptor de pedal: cuando no haya ninguna condición anormal, pise el interruptor de pedal para controlar el funcionamiento normal del bobinado.
7. Interfaz de interacción hombre-computadora: con configuración de parámetros, depuración manual, avisos de alarma y otras funciones.

Del análisis anterior del proceso de bobinado, se puede ver que el bobinado del núcleo eléctrico contiene dos vínculos inevitables: empujar la aguja y tirar de la aguja.
Proceso de empuje de la aguja: los dos rollos de agujas se extienden bajo la acción del cilindro de agujas de empuje, a través de ambos lados del diafragma, los dos rollos de agujas formados por la combinación del cilindro de agujas insertado en el manguito, los rollos de agujas se cierran para sujetar el diafragma, al mismo tiempo, los dos rollos de agujas se fusionan para formar una forma básicamente simétrica, como el núcleo del devanado del núcleo.

Diagrama esquemático del proceso de empuje de la aguja.

Proceso de bombeo de agujas: después de que se completa el bobinado del núcleo, las dos agujas se retraen bajo la acción del cilindro de bombeo de agujas, el cilindro de agujas se retira del manguito, la bola en el dispositivo de agujas cierra la aguja bajo la acción del resorte y las dos agujas se enrollan en direcciones opuestas, y el tamaño del extremo libre de la aguja se reduce para formar un cierto espacio entre la aguja y la superficie interna del núcleo, y con la aguja retraída con respecto al manguito de retención, las agujas y el núcleo se pueden separar suavemente.

Diagrama esquemático del proceso de extracción de la aguja.

La "aguja" en el proceso de inserción y extracción de la aguja (ver arriba) se refiere a la aguja, que, como componente principal de la bobinadora, influye significativamente en la velocidad de bobinado y la calidad del núcleo. Actualmente, la mayoría de las bobinadoras utilizan agujas redondas, ovaladas y planas con forma de diamante. En el caso de las agujas redondas y ovaladas, su arco provoca la deformación de la orejeta polar del núcleo durante el prensado posterior, lo que facilita la formación de arrugas y deformaciones internas. En el caso de las agujas planas con forma de diamante, debido a la gran diferencia de tamaño entre los ejes largo y corto, la tensión de la pieza polar y el diafragma varía considerablemente, lo que requiere que el motor de accionamiento bobina a velocidades variables, lo que dificulta el control del proceso y, por lo general, la velocidad de bobinado es baja.

Diagrama esquemático de agujas de bobinado comunes

Tomemos como ejemplo la aguja plana en forma de diamante más complicada y común: en el proceso de enrollamiento y rotación, las piezas polares positiva y negativa y el diafragma siempre se envuelven alrededor de los seis puntos de las esquinas B, C, D, E, F y G como punto de apoyo.

Diagrama esquemático de la rotación de la aguja de bobinado plana en forma de diamante

Por lo tanto, el proceso de bobinado se puede dividir en bobinado segmentario con OB, OC, OD, OE, OF, OG como radio, y solo es necesario analizar el cambio de la velocidad de la línea en los siete rangos angulares entre θ0, θ1, θ2, θ3, θ4, θ5, θ6 y θ7, para describir de manera completamente cuantitativa el proceso de rotación cíclica de la aguja de bobinado.

Diagrama esquemático de diferentes ángulos de rotación de la aguja.

A partir de la relación trigonométrica se puede derivar la relación correspondiente.

De la ecuación anterior, se desprende fácilmente que, cuando la aguja de bobinado se enrolla a una velocidad angular constante, la velocidad lineal de bobinado y el ángulo formado entre el punto de apoyo de la aguja, las piezas polares positiva y negativa y el diafragma se encuentran en una relación de función segmentada. La relación de imagen entre ambos se simula con Matlab de la siguiente manera:

Cambios de velocidad de bobinado en diferentes ángulos.

Es evidente que la relación entre la velocidad lineal máxima y la mínima durante el bobinado de la aguja plana en forma de diamante (figura 1) puede ser más de diez veces mayor. Un cambio tan drástico en la velocidad lineal provocará grandes fluctuaciones en la tensión de los electrodos positivo y negativo, así como del diafragma, principal causa de las fluctuaciones en la tensión del bobinado. Una fluctuación excesiva de la tensión puede provocar el estiramiento del diafragma durante el bobinado, su contracción tras el bobinado y una pequeña separación entre capas en las esquinas del núcleo tras el prensado. Durante la carga, la expansión de la pieza polar hace que la tensión en la dirección del ancho del núcleo no se concentre, lo que genera un momento de flexión que distorsiona la pieza polar y, finalmente, la batería de litio preparada presenta una deformación en "S".

Imagen de TC y diagrama de desmontaje del núcleo deformado en "S"

En la actualidad, para resolver el problema de la mala calidad del núcleo (principalmente deformación) causada por la forma de la aguja de bobinado, generalmente se utilizan dos métodos: bobinado de tensión variable y bobinado de velocidad variable.

1. Bobinado de tensión variable: Tomemos como ejemplo una batería cilíndrica. A velocidad angular constante, la velocidad lineal aumenta con el número de capas del bobinado, lo que provoca un aumento de la tensión. El bobinado de tensión variable, mediante el sistema de control de tensión, permite que la tensión aplicada a la pieza polar o diafragma aumente con el número de capas y se reduzca linealmente. De esta manera, a velocidad de rotación constante, se puede mantener la tensión lo más constante posible durante todo el proceso de bobinado. Numerosos experimentos con bobinado de tensión variable han llevado a las siguientes conclusiones:
a. Cuanto menor sea la tensión del bobinado, mejor será el efecto de mejora en la deformación del núcleo.
b. Durante el bobinado a velocidad constante, a medida que aumenta el diámetro del núcleo, la tensión disminuye linealmente con un menor riesgo de deformación que con el bobinado a tensión constante.
2. Bobinado de velocidad variable: En una celda cuadrada, por ejemplo, se suele utilizar una aguja de bobinado plana en forma de diamante. Al bobinar la aguja a una velocidad angular constante, la velocidad lineal fluctúa significativamente, lo que genera grandes diferencias en el espaciado de las capas en las esquinas del núcleo. En este caso, es necesario que los cambios de velocidad lineal inviertan la ley de variación de la velocidad de rotación, es decir, que el bobinado se ajuste a la velocidad de rotación con los cambios de ángulo, para minimizar las fluctuaciones de la velocidad lineal y garantizar que las fluctuaciones de tensión se mantengan en un rango de pequeña amplitud.

En resumen, la forma de la aguja de bobinado puede afectar la planitud de la oreja polar (rendimiento del núcleo y rendimiento eléctrico), la velocidad de bobinado (productividad), la uniformidad de la tensión interna del núcleo (problemas de deformación), etc. Para baterías cilíndricas, se suelen utilizar agujas redondas; para baterías cuadradas, agujas elípticas o rómbicas planas (en algunos casos, también se pueden utilizar agujas redondas para bobinar y aplanar el núcleo y formar un núcleo cuadrado). Además, numerosos datos experimentales demuestran que la calidad de los núcleos tiene un impacto importante en el rendimiento electroquímico y la seguridad de la batería final.

En base a esto, hemos resuelto algunas preocupaciones y precauciones clave en el proceso de bobinado de baterías de litio, con la esperanza de evitar operaciones incorrectas en el proceso de bobinado tanto como sea posible, a fin de fabricar baterías de litio que cumplan con los requisitos de calidad.

Para visualizar los defectos del núcleo, se puede sumergir este en resina epoxi con pegamento AB para su curado, y luego cortar y pulir la sección transversal con papel de lija. Es recomendable observar las muestras preparadas con un microscopio o un microscopio electrónico de barrido para obtener el mapa de defectos internos del núcleo.

Mapa de defectos internos del núcleo
(a) La figura muestra un núcleo calificado sin defectos internos evidentes.
(b) En la figura, la pieza polar está obviamente torcida y deformada, lo que puede estar relacionado con la tensión del bobinado, la tensión es demasiado grande para causar arrugas en la pieza polar, y este tipo de defectos hará que la interfaz de la batería se deteriore y la precipitación de litio, lo que deteriorará el rendimiento de la batería.
(c) Hay una sustancia extraña entre el electrodo y el diafragma en la figura. Este defecto puede provocar una autodescarga grave e incluso problemas de seguridad, pero generalmente se detecta mediante la prueba de alto potencial.
(d) El electrodo en la figura tiene un patrón de defectos negativo y positivo, lo que puede provocar una baja capacidad o precipitación de litio.
(e) El electrodo de la figura tiene polvo mezclado en su interior, lo que puede provocar una mayor autodescarga de la batería.

Además, los defectos dentro del núcleo también pueden caracterizarse mediante pruebas no destructivas, como las comúnmente utilizadas con rayos X y tomografía computarizada. A continuación, se presenta una breve introducción a algunos defectos comunes en el proceso del núcleo:

1. Mala cobertura de la pieza polar: la pieza polar negativa local no está completamente cubierta con la pieza polar positiva, lo que puede provocar la deformación de la batería y la precipitación del litio, lo que genera posibles riesgos de seguridad.

2. Deformación de la pieza polar: la pieza polar se deforma por extrusión, lo que puede provocar un cortocircuito interno y traer graves problemas de seguridad.

Vale la pena mencionar que en 2017, el sensacional caso de explosión del teléfono celular Samsung Note7, el resultado de la investigación se debe a que el electrodo negativo dentro de la batería se aprieta para provocar un cortocircuito interno, lo que provoca que la batería explote, el accidente provocó pérdidas a Samsung Electronics de más de 6 mil millones de dólares.

3. Materias metálicas extrañas: Las materias metálicas extrañas son el mecanismo de acción del eliminador de baterías de iones de litio y pueden provenir de la pasta, el equipo o el entorno. Las partículas más grandes de materia metálica extraña pueden causar directamente un cortocircuito físico. Al mezclarse con el electrodo positivo, se oxidan y se depositan en la superficie del electrodo negativo, perforando el diafragma y provocando un cortocircuito interno en la batería, lo que representa un grave riesgo de seguridad. Entre las materias metálicas extrañas más comunes se encuentran Fe, Cu, Zn, Sn, etc.

La bobinadora de baterías de litio se utiliza para bobinar celdas de baterías de litio. Es un equipo que ensambla las láminas de electrodo positivo, negativo y diafragma en un paquete de núcleo (JR: JellyRoll) mediante rotación continua. La fabricación nacional de equipos de bobinado comenzó en 2006, comenzando con el bobinado semiautomático redondo y cuadrado, y la producción automatizada de películas, y posteriormente evolucionó a la automatización combinada, la bobinadora de películas, la bobinadora troqueladora láser, la bobinadora continua de ánodos, la bobinadora continua de diafragmas, etc.

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1. Troquelado de alta precisión: garantiza el tamaño preciso de la pieza polar y el diafragma, reduce el desperdicio de material y mejora la consistencia de la batería.
2. Bobinado estable: el mecanismo de bobinado optimizado y el sistema de control garantizan una estructura de núcleo firme y estable, reducen la resistencia interna y mejoran el rendimiento de la batería.
3. Nivelación de alta eficiencia: el diseño de nivelación único hace que la superficie de los núcleos sea plana, reduce la tensión interna desigual y prolonga la vida útil de la batería.
4. Control inteligente: Equipado con una interfaz avanzada de interacción hombre-computadora, logra una configuración precisa de parámetros y monitoreo en tiempo real, fácil operación y fácil mantenimiento.
5. Amplia gama de compatibilidad: también puede hacer 18, 21, 32, 46, 50, 60 todos los modelos de celdas de batería, para satisfacer sus diversas necesidades de producción.

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