Macchina avvolgitrice per batterie al litio: principi, processi chiave e linee guida per il controllo qualità

Nel processo di produzione delle batterie agli ioni di litio, esistono solitamente diversi modi per suddividere il processo. Il processo può essere suddiviso in tre fasi principali: fabbricazione degli elettrodi, assemblaggio e test delle celle (come mostrato nella figura sottostante). Alcune aziende lo suddividono anche in pre-processo.VentoProcessi di avvolgimento e post-avvolgimento, e questo punto di demarcazione è il processo di avvolgimento. Grazie alla sua forte funzione di integrazione, può determinare l'aspetto della batteria durante lo stampaggio iniziale, quindi il processo di avvolgimento svolge un ruolo fondamentale nella produzione di batterie agli ioni di litio. Il processo di avvolgimento, prodotto dal nucleo laminato, è spesso definito "cella nuda" (Jelly-Roll, indicata con la sigla JR).

Processo di produzione delle batterie agli ioni di litio
Nel processo di produzione delle batterie agli ioni di litio, il processo di avvolgimento del nucleo è illustrato di seguito. L'operazione specifica consiste nell'avvolgere insieme il polo positivo, il polo negativo e il film isolante attraverso il Macchina avvolgitriceIl meccanismo ad ago e le espansioni polari positiva e negativa adiacenti sono isolate dalla pellicola isolante per evitare cortocircuiti. Una volta completato l'avvolgimento, il nucleo viene fissato con carta adesiva di chiusura per evitare che si sfaldi, per poi passare al processo successivo. In questo processo, la chiave è garantire che non vi sia alcun contatto fisico tra gli elettrodi positivo e negativo e che il foglio dell'elettrodo negativo possa coprire completamente il foglio dell'elettrodo positivo sia in direzione orizzontale che verticale.

Schema del processo di avvolgimento
Durante il processo di avvolgimento del nucleo, generalmente due perni di rotolamento bloccano due strati di diaframma per il preavvolgimento, quindi alimentano a turno l'espansione polare positiva o negativa, che viene poi bloccata tra i due strati di diaframma per l'avvolgimento. Nella direzione longitudinale del nucleo, il diaframma supera quello negativo, e il diaframma negativo supera quello positivo, in modo da evitare cortocircuiti tra i diaframmi positivo e negativo.

Schema del diaframma di serraggio dell'ago di avvolgimento

Disegno fisico della macchina avvolgitrice automatica

L'avvolgitrice è l'attrezzatura chiave per realizzare il processo di avvolgimento del nucleo. Facendo riferimento allo schema sopra, i suoi componenti e funzioni principali sono i seguenti:

1. Sistema di alimentazione dei poli: trasporta i poli positivo e negativo lungo la guida verso i due strati di diaframma rispettivamente tra il lato AA e il lato BB per garantire un'alimentazione stabile dei poli.
2. Sistema di svolgimento del diaframma: comprende diaframmi superiori e inferiori per realizzare l'alimentazione automatica e continua dei diaframmi all'ago di avvolgimento.
3. Sistema di controllo della tensione: per controllare la tensione costante del diaframma durante il processo di avvolgimento.
4. Sistema di avvolgimento e incollaggio: per incollare e fissare i nuclei dopo l'avvolgimento.
5. Sistema di trasporto di scarico: smonta automaticamente i nuclei dagli aghi e li deposita sul nastro trasportatore automatico.
6. Interruttore a pedale: se non si verificano condizioni anomale, premere l'interruttore a pedale per controllare il normale funzionamento dell'avvolgimento.
7. Interfaccia di interazione uomo-computer: con impostazione dei parametri, debug manuale, messaggi di allarme e altre funzioni.

Dall'analisi precedente del processo di avvolgimento, si può notare che l'avvolgimento del nucleo elettrico contiene due collegamenti inevitabili: la spinta dell'ago e la trazione dell'ago.
Processo di spinta dell'ago: i due rulli di aghi si estendono sotto l'azione del cilindro dell'ago, attraverso entrambi i lati del diaframma, i due rulli di aghi formati dalla combinazione del cilindro dell'ago inserito nella manica, i rulli di aghi si chiudono per bloccare il diaframma, allo stesso tempo, i due rulli di aghi si fondono per formare una forma sostanzialmente simmetrica, come il nucleo dell'avvolgimento del nucleo.

Diagramma schematico del processo di spinta dell'ago

Processo di pompaggio dell'ago: una volta completato l'avvolgimento del nucleo, i due aghi vengono retratti sotto l'azione del cilindro di pompaggio dell'ago, il cilindro dell'ago viene estratto dal manicotto, la sfera nel dispositivo dell'ago chiude l'ago sotto l'azione della molla e i due aghi vengono avvolti in direzioni opposte e la dimensione dell'estremità libera dell'ago viene ridotta per formare un certo spazio tra l'ago e la superficie interna del nucleo e, con l'ago retratto rispetto al manicotto di ritenzione, gli aghi e il nucleo possono essere separati senza problemi.

Diagramma schematico del processo di estrazione dell'ago

Il termine "ago" utilizzato nel processo di spinta ed estrazione dell'ago di cui sopra si riferisce all'ago stesso, che, in quanto componente centrale dell'avvolgitore, ha un impatto significativo sulla velocità di avvolgimento e sulla qualità del nucleo. Attualmente, la maggior parte degli avvolgitori utilizza aghi rotondi, ovali e piatti a forma di diamante. Gli aghi rotondi e ovali, a causa della loro forma arcuata, causano la deformazione dell'orecchio polare del nucleo durante il successivo processo di pressatura, ma possono anche causare facilmente grinze interne e deformazioni del nucleo. Per quanto riguarda gli aghi piatti a forma di diamante, a causa della grande differenza di dimensioni tra l'asse lungo e quello corto, la tensione dell'espansione polare e del diaframma varia significativamente, richiedendo al motore di azionamento di avvolgere a velocità variabili, il che rende il processo difficile da controllare e la velocità di avvolgimento solitamente bassa.

Schema degli aghi di avvolgimento comuni

Prendiamo come esempio il più complicato e comune ago piatto a forma di diamante: nel processo di avvolgimento e rotazione, i poli positivo e negativo e il diaframma sono sempre avvolti attorno ai sei punti angolari di B, C, D, E, F e G come punti di supporto.

Schema di rotazione dell'ago di avvolgimento a forma di diamante piatto

Pertanto, il processo di avvolgimento può essere suddiviso in avvolgimento segmentale con OB, OC, OD, OE, OF, OG come raggio, ed è necessario solo analizzare la variazione della velocità della linea nei sette intervalli angolari tra θ0, θ1, θ2, θ3, θ4, θ5, θ6 e θ7, per descrivere quantitativamente in modo completo il processo di rotazione ciclica dell'ago di avvolgimento.

Diagramma schematico dei diversi angoli di rotazione dell'ago

Sulla base della relazione trigonometrica è possibile ricavare la relazione corrispondente.

Dall'equazione precedente, è facile vedere che quando l'ago di avvolgimento viene avvolto a velocità angolare costante, la velocità lineare di avvolgimento e l'angolo formato tra il punto di appoggio dell'ago, le espansioni polari positiva e negativa e il diaframma sono in una relazione di tipo segmentato. La relazione immagine tra i due è simulata da Matlab come segue:

Variazioni della velocità di avvolgimento a diversi angoli

È intuitivamente ovvio che il rapporto tra la velocità lineare massima e quella minima nel processo di avvolgimento dell'ago piatto a forma di diamante in figura può essere superiore a 10 volte. Una variazione così significativa della velocità di linea causerà ampie fluttuazioni nella tensione degli elettrodi positivo e negativo e del diaframma, che è la causa principale delle fluttuazioni nella tensione di avvolgimento. Un'eccessiva fluttuazione della tensione può portare all'allungamento del diaframma durante il processo di avvolgimento, al restringimento del diaframma dopo l'avvolgimento e a una ridotta spaziatura degli strati agli angoli all'interno del nucleo dopo la pressatura del nucleo. Durante il processo di carica, l'espansione dell'espansione polare fa sì che la tensione nella direzione della larghezza del nucleo non sia concentrata, con conseguente momento flettente, che a sua volta causa la distorsione dell'espansione polare e del nucleo preparato. Batteria al litio alla fine appare la deformazione a "S".

Immagine TC e schema di smontaggio del nucleo deformato a "S"

Attualmente, per risolvere il problema della scarsa qualità del nucleo (principalmente deformazione) causato dalla forma dell'ago di avvolgimento, si utilizzano solitamente due metodi: avvolgimento a tensione variabile e avvolgimento a velocità variabile.

1. Avvolgimento a tensione variabile: prendiamo come esempio una batteria cilindrica: a velocità angolare costante, la velocità lineare aumenta con il numero di strati di avvolgimento, il che porta a un aumento della tensione. L'avvolgimento a tensione variabile, ovvero attraverso il sistema di controllo della tensione, fa sì che la tensione applicata all'espansione polare o al diaframma diminuisca con l'aumentare del numero di strati di avvolgimento e con la riduzione lineare, in modo che, a velocità di rotazione costante, sia comunque possibile mantenere costante la tensione durante l'intero processo di avvolgimento. Numerosi esperimenti con avvolgimenti a tensione variabile hanno portato alle seguenti conclusioni:
a. Minore è la tensione di avvolgimento, migliore sarà l'effetto di miglioramento sulla deformazione del nucleo.
b. Durante l'avvolgimento a velocità costante, all'aumentare del diametro del nucleo, la tensione diminuisce linearmente con un rischio di deformazione inferiore rispetto all'avvolgimento a tensione costante.
2. Avvolgimento a velocità variabile: prendendo come esempio una cella quadrata, si utilizza solitamente un ago di avvolgimento piatto a forma di diamante. Quando l'ago viene avvolto a velocità angolare costante, la velocità lineare fluttua significativamente, con conseguenti grandi differenze nella spaziatura degli strati agli angoli del nucleo. In questo caso, la necessità di variazioni di velocità lineare è quella di invertire la legge di variazione della velocità di rotazione, ovvero di avvolgere la velocità di rotazione con la variazione dell'angolo, al fine di realizzare il processo di avvolgimento con fluttuazioni di velocità lineare il più possibile ridotte, in modo da garantire che le fluttuazioni di tensione siano di piccola ampiezza.

In breve, la forma dell'ago di avvolgimento può influenzare la planarità dell'orecchio del polo (resa del nucleo e prestazioni elettriche), la velocità di avvolgimento (produttività), l'uniformità della tensione interna del nucleo (problemi di deformazione dell'aspetto) e così via. Per le batterie cilindriche, si utilizzano solitamente aghi rotondi; per le batterie quadrate, si utilizzano solitamente aghi ellittici o romboidali piatti (in alcuni casi, si possono utilizzare anche aghi rotondi per avvolgere e appiattire il nucleo per formare un nucleo quadrato). Inoltre, una grande quantità di dati sperimentali mostra che la qualità dei nuclei ha un impatto importante sulle prestazioni elettrochimiche e di sicurezza della batteria finale.

Sulla base di ciò, abbiamo risolto alcune preoccupazioni e precauzioni chiave nel processo di avvolgimento delle batterie al litio, nella speranza di evitare il più possibile operazioni improprie nel processo di avvolgimento, in modo da produrre batterie al litio che soddisfino i requisiti di qualità.

Per visualizzare i difetti del nucleo, questo può essere immerso in resina epossidica a base di colla AB per la polimerizzazione, quindi la sezione trasversale può essere tagliata e lucidata con carta vetrata. È consigliabile osservare i campioni preparati al microscopio o al microscopio elettronico a scansione, in modo da ottenere la mappatura dei difetti interni del nucleo.

Mappa dei difetti interni del nucleo
(a) La figura mostra un nucleo qualificato senza evidenti difetti interni.
(b) Nella figura, l'espansione polare è ovviamente attorcigliata e deformata, il che potrebbe essere correlato alla tensione dell'avvolgimento; la tensione è troppo elevata per causare pieghe nell'espansione polare e questo tipo di difetti causerà il deterioramento dell'interfaccia della batteria e la precipitazione del litio, che peggiorerà le prestazioni della batteria.
(c) Nella figura è presente una sostanza estranea tra l'elettrodo e il diaframma. Questo difetto può causare una grave autoscarica e persino problemi di sicurezza, ma di solito può essere rilevato durante il test Hi-pot.
(d) L'elettrodo nella figura presenta uno schema di difetti negativo e positivo, che può portare a una bassa capacità o alla precipitazione del litio.
(e) L'elettrodo nella figura presenta polvere al suo interno, che potrebbe causare un aumento dell'autoscarica della batteria.

Inoltre, i difetti all'interno del nucleo possono essere caratterizzati anche mediante test non distruttivi, come i test a raggi X e la TAC, comunemente utilizzati. Di seguito una breve introduzione ad alcuni difetti comuni nei processi del nucleo:

1. Scarsa copertura del polo: il polo negativo locale non è completamente coperto dal polo positivo, il che può causare la deformazione della batteria e la precipitazione del litio, con conseguenti potenziali rischi per la sicurezza.

2. Deformazione dell'espansione polare: l'espansione polare viene deformata dall'estrusione, il che può innescare un cortocircuito interno e causare seri problemi di sicurezza.

Vale la pena menzionare che nel 2017, nel sensazionale caso dell'esplosione del telefono cellulare Samsung Note7, il risultato delle indagini è dovuto alla compressione dell'elettrodo negativo all'interno della batteria, che ha causato un cortocircuito interno, provocando così l'esplosione della batteria; l'incidente ha causato alla Samsung Electronics perdite per oltre 6 miliardi di dollari.

3. Corpi estranei metallici: i corpi estranei metallici sono dannosi per le prestazioni delle batterie agli ioni di litio e possono provenire dalla pasta, dall'apparecchiatura o dall'ambiente. Particelle di corpi estranei metallici più grandi possono causare direttamente un cortocircuito fisico e, quando si mescolano all'elettrodo positivo, si ossidano e si depositano sulla superficie dell'elettrodo negativo, perforando il diaframma e causando infine un cortocircuito interno alla batteria, con un grave rischio per la sicurezza. I corpi estranei metallici più comuni sono Fe, Cu, Zn, Sn e così via.

L'avvolgitore per batterie al litio viene utilizzato per avvolgere le celle delle batterie al litio. Si tratta di un tipo di apparecchiatura per l'assemblaggio di elettrodi a lamina positivi, elettrodi a lamina negativi e diaframmi in un pacco nucleo (JR: JellyRoll) mediante rotazione continua. La produzione nazionale di apparecchiature per l'avvolgimento è iniziata nel 2006, passando dall'avvolgimento semiautomatico rotondo e quadrato semiautomatico alla produzione automatizzata di film, per poi evolversi in sistemi di automazione combinata, avvolgitori per film, avvolgitori per fustellatura laser, avvolgitori continui per anodi, avvolgitori continui per diaframmi e così via.

In questo caso, consigliamo in particolare la macchina per fustellatura laser, avvolgimento e spinta piana Yixinfeng. Questa macchina combina un'avanzata tecnologia di fustellatura laser, un processo di avvolgimento efficiente e una precisa funzione di spinta, che può migliorare notevolmente l'efficienza produttiva e la qualità delle batterie al litio. Presenta i seguenti vantaggi significativi:


1. Fustellatura ad alta precisione: garantisce la dimensione esatta dell'espansione polare e del diaframma, riduce lo spreco di materiale e migliora la consistenza della batteria.
2. Avvolgimento stabile: il meccanismo di avvolgimento ottimizzato e il sistema di controllo garantiscono una struttura del nucleo solida e stabile, riducono la resistenza interna e migliorano le prestazioni della batteria.
3. Livellamento ad alta efficienza: l'esclusivo design di livellamento rende la superficie dei nuclei piatta, riduce lo stress interno irregolare e prolunga la durata della batteria.
4. Controllo intelligente: dotato di un'interfaccia avanzata di interazione uomo-computer, realizza un'impostazione accurata dei parametri e un monitoraggio in tempo reale, un funzionamento semplice e una facile manutenzione.
5. Ampia gamma di compatibilità: può supportare 18, 21, 32, 46, 50, 60 modelli di celle per batterie, per soddisfare le diverse esigenze di produzione.

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