リチウム電池巻線機：原理、主要プロセス、品質管理ガイドライン

リチウムイオン電池の製造工程では、通常、工程を分割する方法がいくつかあります。工程は、電極製造、組み立て工程、セルテストの3つの主要な工程に分けることができます（下図を参照）。また、巻き取り前工程と巻き取り後工程に分ける会社もあり、この境界線は巻き取り工程です。巻き取り工程は、その強力な集積機能により、電池の外観を初期成形できるため、リチウムイオン電池の製造において重要な役割を果たし、鍵となります。巻き取り工程で製造された巻芯は、ベアバッテリーセル（Jelly-Roll、JRとも呼ばれます）と呼ばれることがよくあります。

リチウムイオン電池の製造工程
リチウムイオン電池の製造工程において、コア巻き工程は以下のように図示される。具体的な操作は、巻き取り機の針機構を通して正極片、負極片、絶縁フィルムを一緒に巻き取り、隣接する正極片と負極片を絶縁フィルムで絶縁して短絡を防止する。巻き取りが完了したら、コアがバラバラにならないように密閉粘着紙で固定し、次の工程に流す。この工程で重要なのは、正極と負極の間に物理的な接触がないこと、および負極シートが水平方向と垂直方向の両方で正極シートを完全に覆えることを確認することである。

巻き取り工程の概略図
コアの巻き取り工程では、通常、2 本のロール ピンで 2 層の振動板を挟んで予備巻き取りを行い、次に正極または負極の極片を順に送り込み、極片を 2 層の振動板の間に挟んで巻き取ります。コアの縦方向では、振動板が負極の振動板を超え、負極の振動板が正極の振動板を超えているため、正極と負極の振動板間の接触短絡が回避されます。

巻針クランプダイヤフラムの概略図

自動巻取機の実図

巻線機はコア巻線工程を実現するための重要な設備であり、上図に示すように、その主な構成と機能は次のとおりです。

1. ポールピース供給システム：ガイドレールに沿って正極と負極のポールピースをそれぞれ AA 側と BB 側の間の 2 層の振動板に搬送し、ポールピースの安定した供給を確保します。
2. ダイヤフラム巻き出しシステム：上部ダイヤフラムと下部ダイヤフラムを備え、巻き取り針へのダイヤフラムの自動的かつ連続的な供給を実現します。
3. 張力制御システム：巻き取り工程中にダイヤフラムの一定の張力を制御します。
4. 巻き付け接着システム：巻き付け後のコアを接着して固定します。
5. 荷降ろしコンベアシステム：針からコアを自動的に取り外し、自動コンベアベルトに落とします。
6. フットスイッチ：異常がない場合、フットスイッチを踏んで巻き上げの正常な動作を制御します。
7. ヒューマンコンピュータインタラクションインターフェース：パラメータ設定、手動デバッグ、アラームプロンプトなどの機能を備えています。

上記の巻き取りプロセスの分析から、電気コアの巻き取りには、針を押すことと針を引くことという 2 つの避けられないリンクが含まれていることがわかります。
プッシュニードルプロセス：2 つのニードルロールはプッシュニードルシリンダーの作用により伸び、ダイアフラムの両側を通過し、ニードルシリンダーの組み合わせによって形成された 2 つのニードルロールがスリーブに挿入され、ニードルロールが閉じてダイアフラムを締め付け、同時に、2 つのニードルロールが結合して基本的に対称的な形状を形成し、コアのコアが巻かれます。

針押し工程の概略図

ニードルポンピングプロセス：コアの巻き取りが完了した後、ニードルポンピングシリンダーの作用により2本のニードルが引き込まれ、ニードルシリンダーがスリーブから引き出され、ニードル装置内のボールがスプリングの作用によりニードルを閉じ、2本のニードルが反対方向に巻き取られ、ニードルの自由端のサイズが縮小されて、ニードルとコアの内面との間に一定の隙間が形成され、ニードルが保持スリーブに対して引き込まれると、ニードルとコアがスムーズに分離されます。

針抽出プロセスの概略図

上記の針の押し出しと引き抜きの工程における「針」とは針のことを指し、巻線機のコア部品として、巻線速度とコアの品質に大きな影響を与えます。現在、ほとんどの巻線機は丸型、楕円型、平型ダイヤモンド型の針を使用しています。丸型と楕円型の針は一定の弧を描いているため、コアの極片が変形し、その後のコアの押し込み工程で、コアの内部にしわや変形が生じやすくなります。平型ダイヤモンド型の針は、長軸と短軸のサイズ差が大きいため、極片とダイヤフラムの張力が大きく変化し、駆動モーターを可変速で巻き取る必要があり、工程の制御が難しく、巻き取り速度も通常は低くなります。

一般的な巻き針の概略図

最も複雑で一般的な平らなダイヤモンド形の針を例にとると、巻き上げと回転の過程で、正極片と負極片および振動板は常に B、C、D、E、F、G の 6 つの角点を支持点として巻き付けられます。

平らなダイヤモンド型の巻き針の回転の模式図

したがって、巻き取り工程は、OB、OC、OD、OE、OF、OGを半径とするセグメント巻き取りに分割することができ、θ0、θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6、θ7の7つの角度範囲での線速度の変化を分析するだけで、巻き取り針の周期的回転工程を完全に定量的に記述することができます。

針の回転角度の模式図

三角関数の関係に基づいて、対応する関係を導き出すことができます。

上記の式から、巻き針を一定の角速度で巻き取る場合、巻き取りの線速度と、針の支持点と正極片および負極片と振動板との間に形成される角度は、セグメント関数の関係にあることが容易にわかります。この 2 つの関係のイメージは、次のように Matlab でシミュレートされます。

異なる角度での巻き取り速度の変化

図の平らなダイヤモンド型の針の巻き取り工程における最大線速度と最小線速度の比が10倍以上になることは直感的に明らかです。このような大きな線速度の変化は、正極と負極およびダイヤフラムの張力に大きな変動をもたらし、これが巻き取り張力の変動の主な原因となります。過度の張力変動は、巻き取り工程中のダイヤフラムの伸張、巻き取り後のダイヤフラムの収縮、コアプレス後のコア内部の角の層間隔の狭さにつながる可能性があります。充電工程では、ポールピースの膨張により、コアの幅方向の応力が集中せず、曲げモーメントが発生し、ポールピースの歪みが生じ、完成したリチウム電池に最終的に「S」字変形が現れます。

S字型変形コアのCT画像と分解図

現在、巻き針の形状によって生じるコア品質不良（主に変形）の問題を解決するために、可変張力巻きと可変速度巻きの 2 つの方法が一般的に使用されています。

1. 可変張力巻き取り: 円筒形電池を例にとると、一定の角速度では、巻き取り層の数が増えるにつれて線速度が上昇し、張力の上昇につながります。可変張力巻き取りでは、張力制御システムを介して、極片またはダイヤフラムに適用される張力が巻き取り層の数の増加と線形減少に伴って減少し、一定の回転速度の場合であっても、巻き取りプロセス全体の張力を可能な限り一定に保つことができます。多数の可変張力巻き取り実験から、次の結論が導き出されました。
a. 巻き取り張力が小さいほど、コア変形の改善効果は高くなります。
b. 定速巻き取りの場合、コア径が増加すると張力は直線的に減少し、定張力巻き取りよりも変形のリスクが低くなります。
2. 可変速巻き取り：角型セルを例にとると、通常は平らなダイヤモンド形の巻き針が使用されます。針を一定の角速度で巻き取ると、線速度が大きく変動し、コアの角で層間隔に大きな差が生じます。このとき、線速度の変化は回転速度の変化の法則を逆に推論する必要があります。つまり、巻き取りの回転速度は角度の変化と変化に応じて変化し、巻き取りプロセス中の線速度の変動をできるだけ小さくして、張力の変動が小さい振幅値の範囲内になるようにします。

つまり、巻き針の形状は、極耳の平坦度（コア収率と電気性能）、巻き取り速度（生産性）、コア内部応力の均一性（外観変形の問題）などに影響を与える可能性があります。円筒形バッテリーの場合、通常は丸針が使用されます。角形バッテリーの場合、通常は楕円形または平らな菱形の針が使用されます（場合によっては、丸針を使用してコアを巻き、平らにして角形コアを形成することもできます）。さらに、大量の実験データから、コアの品質が最終的なバッテリーの電気化学性能と安全性能に重要な影響を与えることが示されています。

これを踏まえて、当社はリチウム電池の巻き取り工程におけるいくつかの重要な懸念事項と注意事項を整理し、巻き取り工程における不適切な操作を可能な限り回避し、品質要件を満たすリチウム電池を製造したいと考えています。

コアの欠陥を視覚化するには、コアをAB接着剤エポキシ樹脂に浸して硬化させ、断面を切断してサンドペーパーで研磨します。コアの内部欠陥マッピングを取得するには、準備したサンプルを顕微鏡または走査型電子顕微鏡で観察するのが最適です。

コアの内部欠陥マップ
(a) 図は明らかな内部欠陥のない合格コアを示しています。
(b) 図では、ポールピースが明らかにねじれて変形していますが、これは巻き線の張力と関係している可能性があります。張力が大きすぎるとポールピースにしわが生じ、このような欠陥によりバッテリーインターフェースが劣化してリチウムが沈殿し、バッテリーの性能が低下します。
(c) 図では電極とダイヤフラムの間に異物があります。この欠陥は深刻な自己放電を引き起こし、安全上の問題を引き起こす可能性がありますが、通常は耐電圧試験で検出できます。
(d) 図の電極には負極と正極の欠陥パターンがあり、容量低下やリチウム析出につながる可能性があります。
(e) 図の電極には内部に埃が混入しており、電池の自己放電が増加する可能性があります。

さらに、コア内部の欠陥は、一般的に使用される X 線検査や CT 検査などの非破壊検査によっても特徴付けることができます。以下は、一般的なコア プロセス欠陥の簡単な紹介です。

1. 極片の被覆不良: 局所的な負極片が正極片で完全に覆われていないため、バッテリーの変形やリチウムの沈殿が発生し、潜在的な安全上の危険が生じる可能性があります。

2. ポールピースの変形：ポールピースが押し出しによって変形し、内部短絡を引き起こし、重大な安全上の問題を引き起こす可能性があります。

特筆すべきは、2017年に起きた衝撃的なサムスンNote7携帯電話爆発事件である。調査の結果、バッテリー内部の負極が圧迫されて内部短絡を引き起こし、バッテリーが爆発したためであり、この事故によりサムスン電子は60億ドル以上の損失を被った。

3. 金属異物：金属異物はリチウムイオン電池の性能を低下させる要因であり、ペースト、設備、または環境から発生する可能性があります。金属異物の粒子が大きいと、物理的な短絡を直接引き起こす可能性があります。また、金属異物が正極に混入すると、酸化されて負極の表面に堆積し、隔膜を突き破り、最終的に電池の内部短絡を引き起こし、重大な安全上の危険をもたらします。一般的な金属異物は、Fe、Cu、Zn、Snなどです。

リチウム電池巻き取り機はリチウム電池セルの巻き取りに使用され、正極シート、負極シート、ダイヤフラムを連続回転でコアパック（JR：JellyRoll）に組み立てる装置の一種です。 国内の巻き取り製造設備は2006年に始まり、半自動丸巻き、半自動角巻き、自動化フィルム製造から始まり、その後、複合自動化、フィルム巻き取り機、レーザーダイカット巻き取り機、陽極連続巻き取り機、ダイヤフラム連続巻き取り機などに発展しました。

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1. 高精度の打ち抜き加工：ポールピースとダイヤフラムの正確なサイズを確保し、材料の無駄を減らし、バッテリーの一貫性を向上させます。
2. 安定した巻き取り: 最適化された巻き取り機構と制御システムにより、タイトで安定したコア構造が保証され、内部抵抗が低減され、バッテリー性能が向上します。
3. 高効率レベリング：独自のレベリング設計により、コアの表面が平らになり、内部の不均一なストレスが軽減され、バッテリーの寿命が延びます。
4. インテリジェント制御: 高度なヒューマン・コンピュータ・インタラクション・インターフェースを備え、正確なパラメータ設定とリアルタイム監視、簡単な操作とメンテナンスを実現します。
5. 幅広い互換性: 18、21、32、46、50、60 のすべてのモデルのバッテリーセルも対応できるため、多様な生産ニーズに対応できます。

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