دستگاه سیم پیچی باتری لیتیومی: اصول، فرآیندهای کلیدی و دستورالعمل‌های کنترل کیفیت

در فرآیند تولید باتری‌های لیتیوم-یونی، معمولاً چندین روش برای تقسیم‌بندی فرآیند وجود دارد. این فرآیند را می‌توان به سه فرآیند اصلی تقسیم کرد: تولید الکترود، فرآیند مونتاژ و آزمایش سلول (مطابق شکل زیر)، و همچنین شرکت‌هایی وجود دارند که آن را به مراحل قبل از تولید تقسیم می‌کنند.بادفرآیندهای سیم‌پیچ و پس از سیم‌پیچ، و این نقطه تمایز، فرآیند سیم‌پیچ است. به دلیل عملکرد یکپارچه‌سازی قوی، می‌تواند ظاهر باتری را به شکل اولیه قالب‌گیری درآورد، بنابراین فرآیند سیم‌پیچ در تولید باتری لیتیوم-یون به عنوان یک نقش محوری، کلیدی است، فرآیند سیم‌پیچ تولید شده توسط هسته نورد شده اغلب به عنوان سلول باتری لخت (Jelly-Roll، که به آن JR گفته می‌شود) شناخته می‌شود.

فرآیند تولید باتری لیتیوم-یون
در فرآیند تولید باتری لیتیوم-یون، فرآیند سیم‌پیچ هسته به شرح زیر نشان داده شده است. عملیات خاص، چرخاندن قطعه قطب مثبت، قطعه قطب منفی و فیلم عایق با هم از طریق ... دستگاه سیم پیچیمکانیزم سوزنی، و قطعات قطب مثبت و منفی مجاور توسط فیلم عایق ایزوله می‌شوند تا از اتصال کوتاه جلوگیری شود. پس از اتمام سیم‌پیچ، هسته با کاغذ چسبی بسته می‌شود تا از جدا شدن هسته جلوگیری شود و سپس به فرآیند بعدی جریان می‌یابد. در این فرآیند، نکته کلیدی این است که اطمینان حاصل شود که هیچ تماس فیزیکی بین الکترودهای مثبت و منفی وجود ندارد و صفحه الکترود منفی می‌تواند به طور کامل صفحه الکترود مثبت را در هر دو جهت افقی و عمودی بپوشاند.

نمودار شماتیک فرآیند سیم پیچی
در فرآیند سیم‌پیچ هسته، معمولاً دو پین رول دو لایه دیافراگم را برای پیش‌سیم‌پیچی به هم متصل می‌کنند و سپس قطعه قطب مثبت یا منفی را به نوبت تغذیه می‌کنند و قطعه قطب بین دو لایه دیافراگم برای سیم‌پیچ محکم می‌شود. در جهت طولی هسته، دیافراگم از دیافراگم منفی و دیافراگم منفی از دیافراگم مثبت جلوتر است تا از اتصال کوتاه تماسی بین دیافراگم‌های مثبت و منفی جلوگیری شود.

نمودار شماتیک دیافراگم گیره سوزن سیم پیچ

طراحی فیزیکی دستگاه سیم پیچ اتوماتیک

دستگاه سیم‌پیچ، تجهیز کلیدی برای تحقق فرآیند سیم‌پیچ هسته است. با توجه به نمودار بالا، اجزای اصلی و عملکرد آن به شرح زیر است:

۱. سیستم تغذیه قطعه قطب: قطعات قطب مثبت و منفی را در امتداد ریل راهنما به ترتیب به دو لایه دیافراگم بین طرف AA و طرف BB منتقل کنید تا از تأمین پایدار قطعات قطب اطمینان حاصل شود.
۲. سیستم باز کردن دیافراگم: این سیستم شامل دیافراگم‌های بالایی و پایینی است تا به طور خودکار و مداوم دیافراگم‌ها را به سوزن سیم‌پیچ برساند.
۳. سیستم کنترل کشش: برای کنترل کشش ثابت دیافراگم در طول فرآیند سیم پیچی.
۴. سیستم سیم‌پیچ و چسب: برای چسباندن و ثابت کردن هسته‌ها پس از سیم‌پیچ.
۵. سیستم نوار نقاله تخلیه: هسته‌ها را به طور خودکار از سوزن‌ها جدا کرده و آنها را روی تسمه نقاله اتوماتیک می‌اندازد.
۶. سوئیچ پایی: وقتی هیچ وضعیت غیرعادی وجود ندارد، برای کنترل عملکرد عادی سیم‌پیچ، روی سوئیچ پایی پا بگذارید.
7. رابط تعامل انسان و کامپیوتر: با تنظیم پارامتر، اشکال‌زدایی دستی، اعلان‌های هشدار و سایر عملکردها.

از تحلیل فوق از فرآیند سیم‌پیچ، می‌توان دریافت که سیم‌پیچ هسته الکتریکی شامل دو پیوند اجتناب‌ناپذیر است: هل دادن سوزن و کشیدن سوزن.
فرآیند فشار دادن سوزن: دو رول سوزن تحت عمل فشار دادن سیلندر سوزن، از طریق دو طرف دیافراگم امتداد می‌یابند، دو رول سوزن که توسط ترکیبی از سیلندر سوزن وارد شده در غلاف تشکیل شده‌اند، رول‌های سوزن نزدیک به گیره دیافراگم قرار می‌گیرند، در همان زمان، دو رول سوزن با هم ادغام می‌شوند تا یک شکل اساساً متقارن، به عنوان هسته سیم‌پیچ هسته، تشکیل دهند.

نمودار شماتیک فرآیند هل دادن سوزن

فرآیند پمپاژ سوزن: پس از اتمام سیم‌پیچ هسته، دو سوزن تحت عمل سیلندر پمپاژ سوزن جمع می‌شوند، سیلندر سوزن از غلاف خارج می‌شود، گوی موجود در دستگاه سوزن، سوزن را تحت عمل فنر می‌بندد و دو سوزن در جهت مخالف پیچیده می‌شوند و اندازه انتهای آزاد سوزن کاهش می‌یابد تا شکاف مشخصی بین سوزن و سطح داخلی هسته ایجاد شود و با جمع شدن سوزن نسبت به غلاف نگهدارنده، سوزن‌ها و هسته می‌توانند به راحتی از هم جدا شوند.

نمودار شماتیک فرآیند استخراج سوزن

منظور از «سوزن» در فرآیند هل دادن و بیرون کشیدن سوزن در بالا، سوزن است که به عنوان جزء اصلی دستگاه سیم‌پیچ، تأثیر قابل توجهی بر سرعت سیم‌پیچ و کیفیت هسته دارد. در حال حاضر، اکثر دستگاه‌های سیم‌پیچ از سوزن‌های گرد، بیضی و تخت الماسی شکل استفاده می‌کنند. سوزن‌های گرد و بیضی شکل، به دلیل وجود قوس خاص، منجر به تغییر شکل گوش قطب هسته در فرآیند بعدی پرس هسته می‌شوند، اما همچنین به راحتی باعث ایجاد چین و چروک داخلی و تغییر شکل هسته می‌شوند. در مورد سوزن‌های الماسی شکل تخت، به دلیل تفاوت زیاد اندازه بین محورهای بلند و کوتاه، تنش قطعه قطب و دیافراگم به طور قابل توجهی تغییر می‌کند و نیاز به چرخش موتور محرک با سرعت‌های متغیر دارد که کنترل فرآیند را دشوار می‌کند و سرعت سیم‌پیچ معمولاً کم است.

نمودار شماتیک سوزن‌های سیم‌پیچ معمولی

به عنوان مثال، پیچیده‌ترین و رایج‌ترین سوزن تخت لوزی شکل را در نظر بگیرید، در فرآیند سیم‌پیچ و چرخش آن، قطعات قطب مثبت و منفی و دیافراگم همیشه به دور شش نقطه گوشه B، C، D، E، F و G به عنوان نقطه تکیه‌گاه پیچیده می‌شوند.

نمودار شماتیک چرخش سوزن سیم پیچ مسطح به شکل الماس

بنابراین، فرآیند سیم‌پیچ را می‌توان به سیم‌پیچ‌های قطعه‌ای با شعاع‌های OB، OC، OD، OE، OF، OG تقسیم کرد و تنها کافی است تغییر سرعت خط را در هفت محدوده زاویه‌ای بین θ0، θ1، θ2، θ3، θ4، θ5، θ6 و θ7 تجزیه و تحلیل کنیم تا فرآیند چرخش چرخه‌ای سوزن سیم‌پیچ به طور کامل و کمی توصیف شود.

نمودار شماتیک زوایای مختلف چرخش سوزن

بر اساس رابطه مثلثاتی، می‌توان رابطه مربوطه را استخراج کرد.

از معادله بالا، به راحتی می‌توان دید که وقتی سوزن سیم‌پیچ با سرعت زاویه‌ای ثابت پیچیده می‌شود، سرعت خطی سیم‌پیچ و زاویه تشکیل شده بین نقطه تکیه‌گاه سوزن و قطب‌های مثبت و منفی و دیافراگم در یک رابطه تابع قطعه‌ای قرار دارند. رابطه تصویر بین این دو توسط متلب به صورت زیر شبیه‌سازی شده است:

تغییرات سرعت چرخش در زوایای مختلف

به طور شهودی واضح است که نسبت حداکثر سرعت خطی به حداقل سرعت خطی در فرآیند سیم‌پیچ سوزن تخت لوزی شکل در شکل می‌تواند بیش از 10 برابر باشد. چنین تغییر بزرگی در سرعت خط، نوسانات زیادی در کشش الکترودهای مثبت و منفی و دیافراگم ایجاد می‌کند که علت اصلی نوسانات کشش سیم‌پیچ است. نوسان بیش از حد کشش ممکن است منجر به کشش دیافراگم در طول فرآیند سیم‌پیچ، انقباض دیافراگم پس از سیم‌پیچ و فاصله کم لایه‌ها در گوشه‌های داخل هسته پس از فشار دادن هسته شود. در فرآیند شارژ، انبساط قطعه قطب باعث می‌شود که تنش در جهت عرض هسته متمرکز نشود و در نتیجه گشتاور خمشی ایجاد شود که منجر به اعوجاج قطعه قطب می‌شود و قطعه آماده شده... باتری لیتیوم در نهایت تغییر شکل "S" ظاهر می‌شود.

تصویر سی‌تی‌اسکن و نمودار جداسازی قطعات هسته تغییر شکل یافته "S"

در حال حاضر، برای حل مشکل کیفیت پایین هسته (عمدتاً تغییر شکل) ناشی از شکل سوزن سیم‌پیچ، معمولاً از دو روش استفاده می‌شود: سیم‌پیچ با کشش متغیر و سیم‌پیچ با سرعت متغیر.

۱. سیم‌پیچ با کشش متغیر: به عنوان مثال، باتری استوانه‌ای را در نظر بگیرید، تحت سرعت زاویه‌ای ثابت، سرعت خطی با تعداد لایه‌های سیم‌پیچ افزایش می‌یابد که منجر به افزایش کشش می‌شود. سیم‌پیچ با کشش متغیر، یعنی از طریق سیستم کنترل کشش، به طوری که کشش اعمال شده به قطعه قطب یا دیافراگم با افزایش تعداد لایه‌های سیم‌پیچ و کاهش خطی، به طوری که در صورت سرعت چرخش ثابت، اما همچنان می‌تواند کل فرآیند سیم‌پیچ را تا حد امکان به کشش ثابتی برساند. تعداد زیادی از آزمایش‌های سیم‌پیچ با کشش متغیر به نتایج زیر منجر شده‌اند:
الف) هرچه تنش سیم‌پیچ کمتر باشد، اثر بهبود بر تغییر شکل هسته بهتر خواهد بود.
ب. در طول سیم‌پیچ با سرعت ثابت، با افزایش قطر هسته، کشش به صورت خطی کاهش می‌یابد و خطر تغییر شکل در آن کمتر از سیم‌پیچ با کشش ثابت است.
۲. سیم‌پیچ با سرعت متغیر: به عنوان مثال، سلول مربعی را در نظر بگیرید، معمولاً از یک سوزن سیم‌پیچ مسطح به شکل الماس استفاده می‌شود. هنگامی که سوزن با سرعت زاویه‌ای ثابت پیچیده می‌شود، سرعت خطی به طور قابل توجهی نوسان می‌کند و در نتیجه تفاوت‌های زیادی در فاصله لایه‌ها در گوشه‌های هسته ایجاد می‌شود. در این زمان، نیاز به تغییرات سرعت خطی، استنتاج معکوس قانون تغییر سرعت چرخش است، یعنی سیم‌پیچ سرعت چرخش را با تغییر زاویه و تغییر، به منظور تحقق فرآیند سیم‌پیچ با نوسانات سرعت خطی تا حد امکان کوچک، به طوری که اطمینان حاصل شود که نوسانات تنش در محدوده مقدار دامنه کوچک قرار دارند.

به طور خلاصه، شکل سوزن سیم‌پیچ ممکن است بر صافی گوشه قطب (بهره‌وری هسته و عملکرد الکتریکی)، سرعت سیم‌پیچ (بهره‌وری)، یکنواختی تنش داخلی هسته (مشکلات تغییر شکل ظاهری) و غیره تأثیر بگذارد. برای باتری‌های استوانه‌ای، معمولاً از سوزن‌های گرد استفاده می‌شود؛ برای باتری‌های مربعی، معمولاً از سوزن‌های بیضوی یا لوزی مسطح استفاده می‌شود (در برخی موارد، می‌توان از سوزن‌های گرد نیز برای پیچیدن و صاف کردن هسته برای تشکیل یک هسته مربعی استفاده کرد). علاوه بر این، حجم زیادی از داده‌های تجربی نشان می‌دهد که کیفیت هسته‌ها تأثیر مهمی بر عملکرد الکتروشیمیایی و عملکرد ایمنی باتری نهایی دارد.

بر این اساس، ما برخی از نگرانی‌ها و اقدامات احتیاطی کلیدی را در فرآیند سیم‌پیچ باتری‌های لیتیومی بررسی کرده‌ایم، به این امید که تا حد امکان از عملیات نادرست در فرآیند سیم‌پیچ جلوگیری کنیم، تا باتری‌های لیتیومی تولید کنیم که الزامات کیفیت را برآورده کنند.

برای مشاهده عیوب هسته، می‌توان هسته را برای پخت در رزین اپوکسی چسب AB غوطه‌ور کرد و سپس سطح مقطع آن را برش داده و با کاغذ سنباده صیقل داد. بهتر است نمونه‌های آماده شده را زیر میکروسکوپ یا میکروسکوپ الکترونی روبشی مشاهده کرد تا نقشه عیوب داخلی هسته به دست آید.

نقشه نقص داخلی هسته
(الف) شکل، یک هسته واجد شرایط و بدون نقص داخلی آشکار را نشان می‌دهد.
(ب) در شکل، قطعه قطب به وضوح پیچ خورده و تغییر شکل داده است، که ممکن است مربوط به کشش سیم پیچ باشد، کشش بیش از حد زیاد است که باعث چروکیدگی قطعه قطب شود، و این نوع نقص باعث خراب شدن سطح مشترک باتری و رسوب لیتیوم می‌شود که عملکرد باتری را بدتر می‌کند.
(ج) یک ماده خارجی بین الکترود و دیافراگم در شکل وجود دارد. این نقص ممکن است منجر به تخلیه خود به خودی جدی شود و حتی مشکلات ایمنی ایجاد کند، اما معمولاً در آزمایش Hi-pot قابل تشخیص است.
(د) الکترود نشان داده شده در شکل دارای الگوی نقص منفی و مثبت است که ممکن است منجر به ظرفیت کم یا رسوب لیتیوم شود.
(ه) الکترود نشان داده شده در شکل، حاوی گرد و غبار است که ممکن است منجر به افزایش دشارژ خودکار باتری شود.

علاوه بر این، نقص‌های داخل هسته را می‌توان با آزمایش‌های غیرمخرب، مانند آزمایش‌های رایج اشعه ایکس و سی‌تی‌اسکن، نیز مشخص کرد. در ادامه مقدمه‌ای مختصر بر برخی از نقص‌های رایج در فرآیند هسته آمده است:

۱. پوشش ضعیف قطعه قطب: قطعه قطب منفی محلی به طور کامل با قطعه قطب مثبت پوشانده نشده است، که ممکن است منجر به تغییر شکل باتری و رسوب لیتیوم شود و در نتیجه خطرات ایمنی بالقوه ایجاد کند.

۲. تغییر شکل قطعه قطب: قطعه قطب در اثر اکستروژن تغییر شکل می‌دهد که ممکن است باعث اتصال کوتاه داخلی و مشکلات ایمنی جدی شود.

شایان ذکر است که در سال ۲۰۱۷، مورد انفجار جنجالی تلفن همراه سامسونگ نوت ۷، نتیجه تحقیقات نشان داد که الکترود منفی داخل باتری فشرده شده و باعث ایجاد اتصال کوتاه داخلی شده و در نتیجه باعث انفجار باتری شده است. این حادثه بیش از ۶ میلیارد دلار به سامسونگ الکترونیکس خسارت وارد کرد.

۳. مواد خارجی فلزی: مواد خارجی فلزی، قاتل باتری لیتیوم-یون هستند که ممکن است از خمیر، تجهیزات یا محیط ناشی شوند. ذرات بزرگتر مواد خارجی فلزی ممکن است مستقیماً باعث اتصال کوتاه فیزیکی شوند و هنگامی که مواد خارجی فلزی با الکترود مثبت مخلوط می‌شوند، اکسید شده و سپس روی سطح الکترود منفی رسوب می‌کنند، دیافراگم را سوراخ می‌کنند و در نهایت باعث اتصال کوتاه داخلی در باتری می‌شوند که یک خطر جدی برای ایمنی است. مواد خارجی فلزی رایج عبارتند از آهن، مس، روی، قلع و غیره.

دستگاه سیم‌پیچ باتری لیتیوم برای سیم‌پیچ کردن سلول‌های باتری لیتیوم استفاده می‌شود که نوعی تجهیزات برای مونتاژ ورق الکترود مثبت، ورق الکترود منفی و دیافراگم در یک بسته هسته‌ای (JR: JellyRoll) با چرخش مداوم است. تجهیزات تولید سیم‌پیچ داخلی در سال ۲۰۰۶، از سیم‌پیچ گرد نیمه اتوماتیک، سیم‌پیچ مربعی نیمه اتوماتیک، تولید فیلم خودکار، آغاز شد و سپس به اتوماسیون ترکیبی، دستگاه سیم‌پیچ فیلم، دستگاه سیم‌پیچ برش لیزری، دستگاه سیم‌پیچ پیوسته آند، دستگاه سیم‌پیچ پیوسته دیافراگم و غیره توسعه یافت.

در اینجا، ما به طور خاص دستگاه برش لیزری دایکات و پیچاندن و هل دادن تخت Yixinfeng را توصیه می‌کنیم. این دستگاه ترکیبی از فناوری پیشرفته برش لیزری دایکات، فرآیند پیچاندن کارآمد و عملکرد دقیق هل دادن است که می‌تواند راندمان تولید و کیفیت باتری لیتیومی را تا حد زیادی بهبود بخشد. این دستگاه مزایای قابل توجه زیر را دارد:


۱. برش قالبی با دقت بالا: از اندازه دقیق قطعه قطب و دیافراگم اطمینان حاصل کنید، ضایعات مواد را کاهش داده و قوام باتری را بهبود بخشید.
۲. سیم‌پیچ پایدار: مکانیزم سیم‌پیچ بهینه‌شده و سیستم کنترل، ساختار هسته محکم و پایدار را تضمین می‌کند، مقاومت داخلی را کاهش می‌دهد و عملکرد باتری را بهبود می‌بخشد.
۳. ترازبندی با راندمان بالا: طراحی ترازبندی منحصر به فرد، سطح هسته‌ها را صاف می‌کند، تنش داخلی ناهموار را کاهش می‌دهد و عمر باتری را افزایش می‌دهد.
4. کنترل هوشمند: مجهز به رابط پیشرفته تعامل انسان و کامپیوتر، تنظیم دقیق پارامترها و نظارت بر زمان واقعی، عملکرد آسان و نگهداری آسان را محقق می‌کند.
5. طیف گسترده‌ای از سازگاری: همچنین می‌تواند 18، 21، 32، 46، 50، 60 مدل از سلول‌های باتری را برای رفع نیازهای متنوع تولیدی شما انجام دهد.

تجهیزات باتری لیتیوم-یون
دستگاه برش، سیم‌پیچ و هل دادن لیزری Yixinfeng را انتخاب کنید تا کیفیت و راندمان بالاتری را برای تولید باتری لیتیومی خود به ارمغان بیاورید!