Bobineuse de batteries au lithium : principes, processus clés et directives de contrôle qualité

Le processus de fabrication des batteries lithium-ion est généralement divisé en trois étapes principales : la fabrication des électrodes, l'assemblage et les tests des cellules (comme illustré dans la figure ci-dessous). Certaines entreprises le subdivisent également en étapes de pré-fabrication.VentLe processus de bobinage est un point de démarcation entre les processus de bobinage et de post-bobinage. Grâce à sa forte intégration, il permet de donner à la batterie son aspect initial dès le moulage. Le bobinage, qui joue un rôle essentiel dans la fabrication des batteries lithium-ion, est souvent appelé « cellule nue » (Jelly-Roll, ou JR).

Procédé de fabrication de batteries lithium-ion
Dans le processus de fabrication des batteries lithium-ion, le bobinage du noyau est illustré ci-dessous. L'opération spécifique consiste à enrouler ensemble les pôles positif et négatif et le film isolant. Machine à enroulerLe mécanisme à aiguilles et les pôles positifs et négatifs adjacents sont isolés par un film isolant afin d'éviter les courts-circuits. Une fois le bobinage terminé, le noyau est fixé avec du papier adhésif de fermeture pour éviter sa désintégration, puis passe à l'étape suivante. Lors de ce processus, l'essentiel est de garantir l'absence de contact physique entre les électrodes positive et négative, et de veiller à ce que la feuille d'électrode négative recouvre complètement la feuille d'électrode positive, horizontalement comme verticalement.

Schéma du processus d'enroulement
Lors du bobinage du noyau, deux goupilles serrent généralement deux couches de membrane pour le pré-enroulement, puis alimentent tour à tour la pièce polaire positive ou négative, laquelle est ensuite serrée entre les deux couches de membrane pour le bobinage. Dans le sens longitudinal du noyau, la membrane dépasse la membrane négative, et la membrane négative dépasse la membrane positive, afin d'éviter tout court-circuit entre les membranes positive et négative.

Schéma de principe du diaphragme de serrage de l'aiguille d'enroulement

Dessin physique d'une machine à enrouler automatique

La bobineuse est l'équipement clé du bobinage. D'après le schéma ci-dessus, ses principaux composants et fonctions sont les suivants :

1. Système d'alimentation des pièces polaires : transportez les pièces polaires positives et négatives le long du rail de guidage jusqu'aux deux couches de diaphragme entre le côté AA et le côté BB respectivement pour assurer l'alimentation stable des pièces polaires.
2. Système de déroulement du diaphragme : Il comprend des diaphragmes supérieur et inférieur pour réaliser l'alimentation automatique et continue des diaphragmes vers l'aiguille d'enroulement.
3. Système de contrôle de tension : pour contrôler la tension constante du diaphragme pendant le processus d'enroulement.
4. Système d'enroulement et de collage : pour coller et fixer les noyaux après enroulement.
5. Système de convoyeur de déchargement : Démontez automatiquement les noyaux des aiguilles et déposez-les sur le tapis roulant automatique.
6. Interrupteur à pédale : lorsqu'il n'y a pas de condition anormale, appuyez sur l'interrupteur à pédale pour contrôler le fonctionnement normal de l'enroulement.
7. Interface d'interaction homme-machine : avec paramétrage, débogage manuel, invites d'alarme et autres fonctions.

D'après l'analyse ci-dessus du processus d'enroulement, on peut voir que l'enroulement du noyau électrique contient deux liens inévitables : pousser l'aiguille et tirer l'aiguille.
Processus de poussée de l'aiguille : les deux rouleaux d'aiguilles s'étendent sous l'action du cylindre d'aiguille de poussée, à travers les deux côtés du diaphragme, les deux rouleaux d'aiguilles formés par la combinaison du cylindre d'aiguille inséré dans le manchon, les rouleaux d'aiguilles se rapprochent pour serrer le diaphragme, en même temps, les deux rouleaux d'aiguilles fusionnent pour former une forme fondamentalement symétrique, comme le noyau de l'enroulement du noyau.

Schéma du processus de poussée de l'aiguille

Processus de pompage de l'aiguille : une fois l'enroulement du noyau terminé, les deux aiguilles sont rétractées sous l'action du cylindre de pompage de l'aiguille, le cylindre de l'aiguille est retiré du manchon, la bille dans le dispositif à aiguille ferme l'aiguille sous l'action du ressort, et les deux aiguilles sont enroulées dans des directions opposées, et la taille de l'extrémité libre de l'aiguille est réduite pour former un certain espace entre l'aiguille et la surface intérieure du noyau, et avec l'aiguille rétractée par rapport au manchon de retenue, les aiguilles et le noyau peuvent être séparés en douceur.

Schéma du processus d'extraction de l'aiguille

L'aiguille, utilisée pour pousser et tirer l'aiguille ci-dessus, fait référence à l'aiguille, qui, en tant que composant principal de la bobineuse, influence considérablement la vitesse d'enroulement et la qualité du noyau. Actuellement, la plupart des bobineuses utilisent des aiguilles rondes, ovales et plates en forme de losange. L'arc de ces aiguilles peut entraîner une déformation de l'oreille polaire du noyau lors du pressage ultérieur, ainsi qu'un plissement et une déformation internes du noyau. Concernant les aiguilles plates en forme de losange, la différence de taille entre les axes longitudinaux et courts entraîne des variations importantes de tension de la pièce polaire et du diaphragme, ce qui nécessite un enroulement à vitesse variable du moteur d'entraînement, ce qui rend le processus difficile à contrôler et entraîne généralement une faible vitesse d'enroulement.

Schéma des aiguilles de bobinage courantes

Prenons l'exemple de l'aiguille plate en forme de diamant la plus compliquée et la plus courante : lors de son enroulement et de sa rotation, les pôles positifs et négatifs et le diaphragme sont toujours enroulés autour des six points d'angle B, C, D, E, F et G comme point de support.

Schéma de principe de la rotation de l'aiguille d'enroulement en forme de losange plat

Par conséquent, le processus d'enroulement peut être divisé en enroulement segmentaire avec OB, OC, OD, OE, OF, OG comme rayon, et il suffit d'analyser le changement de la vitesse de la ligne dans les sept plages angulaires entre θ0, θ1, θ2, θ3, θ4, θ5, θ6 et θ7, afin de décrire de manière complètement quantitative le processus de rotation cyclique de l'aiguille d'enroulement.

Schéma des différents angles de rotation de l'aiguille

Sur la base de la relation trigonométrique, la relation correspondante peut être dérivée.

L'équation ci-dessus montre clairement que lorsque l'aiguille est enroulée à vitesse angulaire constante, la vitesse linéaire d'enroulement et l'angle formé entre le point d'appui de l'aiguille, les pôles positif et négatif et le diaphragme présentent une relation de fonction segmentée. La relation image entre les deux est simulée par Matlab comme suit :

Changements de vitesse d'enroulement à différents angles

Il est évident que le rapport entre la vitesse linéaire maximale et la vitesse linéaire minimale lors de l'enroulement de l'aiguille plate en forme de losange illustrée sur la figure peut être supérieur à 10. Une variation aussi importante de la vitesse de la ligne entraîne d'importantes fluctuations de tension des électrodes positive et négative, ainsi que du diaphragme, principales causes des fluctuations de tension de l'enroulement. Une variation excessive de tension peut entraîner un étirement du diaphragme pendant l'enroulement, un rétrécissement du diaphragme après l'enroulement et un faible espacement des couches aux angles du noyau après pressage. Lors de la charge, la dilatation de la pièce polaire entraîne une concentration irrégulière de la contrainte dans le sens de la largeur du noyau, ce qui crée un moment de flexion, source de déformation de la pièce polaire et de la pièce préparée. Batterie au lithium apparaît finalement une déformation en « S ».

Image CT et schéma de démontage du noyau déformé en « S »

Actuellement, afin de résoudre le problème de mauvaise qualité du noyau (principalement la déformation) causé par la forme de l'aiguille d'enroulement, deux méthodes sont généralement utilisées : l'enroulement à tension variable et l'enroulement à vitesse variable.

1. Bobinage à tension variable : Prenons l'exemple d'une batterie cylindrique. À vitesse angulaire constante, la vitesse linéaire augmente avec le nombre de couches d'enroulement, ce qui entraîne une augmentation de la tension. Le bobinage à tension variable, grâce au système de contrôle de tension, permet de contrôler la tension appliquée à la pièce polaire ou au diaphragme, en fonction du nombre de couches d'enroulement et de la réduction linéaire. À vitesse de rotation constante, la tension peut néanmoins être maintenue constante tout au long du processus d'enroulement. De nombreuses expériences sur les bobinages à tension variable ont abouti aux conclusions suivantes :
a. Plus la tension d'enroulement est faible, meilleur est l'effet d'amélioration sur la déformation du noyau.
b. Lors d'un enroulement à vitesse constante, à mesure que le diamètre du noyau augmente, la tension diminue linéairement avec un risque de déformation plus faible qu'avec un enroulement à tension constante.
2. Enroulement à vitesse variable : Prenons l'exemple d'une cellule carrée. On utilise généralement une aiguille d'enroulement plate en forme de losange. Lorsque l'aiguille est enroulée à vitesse angulaire constante, la vitesse linéaire fluctue considérablement, ce qui entraîne d'importantes différences d'espacement entre les couches aux angles du noyau. Dans ce cas, la variation de vitesse linéaire est inversement proportionnelle à la loi de variation de la vitesse de rotation, c'est-à-dire que la vitesse de rotation est ajustée en fonction de l'angle d'enroulement, afin de minimiser les fluctuations de vitesse linéaire et de garantir des fluctuations de tension de faible amplitude.

En résumé, la forme de l'aiguille d'enroulement peut affecter la planéité de l'oreille polaire (rendement du noyau et performances électriques), la vitesse d'enroulement (productivité), l'uniformité des contraintes internes du noyau (problèmes de déformation d'apparence), etc. Pour les batteries cylindriques, on utilise généralement des aiguilles rondes ; pour les batteries carrées, on utilise généralement des aiguilles elliptiques ou rhombiques plates (dans certains cas, des aiguilles rondes peuvent également être utilisées pour enrouler et aplatir le noyau afin de former un noyau carré). De plus, de nombreuses données expérimentales montrent que la qualité des noyaux a un impact important sur les performances électrochimiques et la sécurité de la batterie finale.

Sur cette base, nous avons trié certaines préoccupations et précautions clés dans le processus d'enroulement des batteries au lithium, dans l'espoir d'éviter autant que possible les opérations incorrectes dans le processus d'enroulement, afin de fabriquer des batteries au lithium qui répondent aux exigences de qualité.

Afin de visualiser les défauts du noyau, celui-ci peut être immergé dans de la résine époxy AB Glue pour durcissement, puis la section transversale peut être découpée et polie au papier de verre. Il est préférable d'observer les échantillons préparés au microscope ou au microscope électronique à balayage afin d'obtenir une cartographie des défauts internes du noyau.

Carte des défauts internes du noyau
(a) La figure montre un noyau qualifié sans défauts internes évidents.
(b) Sur la figure, la pièce polaire est manifestement tordue et déformée, ce qui peut être lié à la tension de l'enroulement, la tension est trop importante pour provoquer des plis dans la pièce polaire, et ce type de défauts entraînera la détérioration de l'interface de la batterie et la précipitation du lithium, ce qui détériorera les performances de la batterie.
(c) Sur la figure, un corps étranger est présent entre l'électrode et le diaphragme. Ce défaut peut entraîner une autodécharge grave, voire des problèmes de sécurité, mais il est généralement détectable lors du test Hi-pot.
(d) L'électrode de la figure présente un motif de défauts négatifs et positifs, ce qui peut entraîner une faible capacité ou une précipitation de lithium.
(e) L'électrode de la figure contient de la poussière mélangée à l'intérieur, ce qui peut entraîner une autodécharge accrue de la batterie.

De plus, les défauts internes au cœur peuvent également être caractérisés par des contrôles non destructifs, tels que les examens par rayons X et par tomodensitométrie, couramment utilisés. Voici une brève introduction à quelques défauts courants des procédés du cœur :

1. Mauvaise couverture de la pièce polaire : la pièce polaire négative locale n'est pas entièrement recouverte par la pièce polaire positive, ce qui peut entraîner une déformation de la batterie et une précipitation de lithium, entraînant des risques potentiels pour la sécurité.

2. Déformation de la pièce polaire : la pièce polaire est déformée par extrusion, ce qui peut déclencher un court-circuit interne et entraîner de graves problèmes de sécurité.

Il convient de mentionner qu'en 2017, dans le cas sensationnel de l'explosion du téléphone portable Samsung Note7, le résultat de l'enquête est dû au fait que l'électrode négative à l'intérieur de la batterie a été comprimée pour provoquer un court-circuit interne, provoquant ainsi l'explosion de la batterie, l'accident a causé à Samsung Electronics une perte de plus de 6 milliards de dollars.

3. Corps étrangers métalliques : les corps étrangers métalliques sont la cause principale de la défaillance des batteries lithium-ion. Ils peuvent provenir de la pâte, de l'équipement ou de l'environnement. De plus grosses particules de corps étrangers métalliques peuvent provoquer directement un court-circuit. Lorsqu'ils pénètrent dans l'électrode positive, ils s'oxydent et se déposent à la surface de l'électrode négative, perforant la membrane et provoquant un court-circuit interne à la batterie, ce qui représente un risque grave pour la sécurité. Les corps étrangers métalliques les plus courants sont le Fe, le Cu, le Zn et l'En.

La bobineuse de batteries au lithium est utilisée pour bobiner les cellules de batteries au lithium. Il s'agit d'un équipement permettant d'assembler des feuilles d'électrode positive, des feuilles d'électrode négative et des diaphragmes en un noyau (JR : JellyRoll) par rotation continue. La production nationale d'équipements de bobinage a débuté en 2006, passant de l'enroulement semi-automatique de bobines rondes et carrées à la production automatisée de films, avant de se développer vers l'automatisation combinée, la bobineuse de films, la bobineuse à découpe laser, la bobineuse continue d'anodes et la bobineuse continue de diaphragmes, etc.

Nous recommandons particulièrement la machine de découpe laser, d'enroulement et de poussée à plat Yixinfeng. Cette machine allie une technologie de découpe laser avancée, un processus d'enroulement efficace et une fonction de poussée précise, ce qui améliore considérablement l'efficacité et la qualité de production des batteries au lithium. Elle présente les avantages majeurs suivants :


1. Découpe de haute précision : garantit la taille précise de la pièce polaire et du diaphragme, réduit le gaspillage de matériaux et améliore la cohérence de la batterie.
2. Enroulement stable : le mécanisme d'enroulement optimisé et le système de contrôle garantissent une structure de noyau serrée et stable, réduisent la résistance interne et améliorent les performances de la batterie.
3. Nivellement à haute efficacité : la conception de nivellement unique rend la surface des noyaux plate, réduit les contraintes internes inégales et prolonge la durée de vie de la batterie.
4. Contrôle intelligent : équipé d'une interface d'interaction homme-ordinateur avancée, il réalise un réglage précis des paramètres et une surveillance en temps réel, une utilisation facile et une maintenance facile.
5. Large gamme de compatibilité : il peut également faire 18, 21, 32, 46, 50, 60 tous les modèles de cellules de batterie, pour répondre à vos divers besoins de production.

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