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、工程をいくつかの方法で分割します。工程は、電極製造、組立工程、セル試験の3つの主要な工程に分けられます（下図参照）。また、製造前工程と製造後工程に分けている企業もあります。風巻線工程と後工程の2つの工程があり、この境界線は巻線工程にあります。巻線工程は強力な集積機能を持ち、電池の​​外観を初期成形で決定づけることができるため、リチウムイオン電池製造において極めて重要な役割を果たし、鍵となります。巻線工程で製造される巻芯は、しばしばベアバッテリーセル（Jelly-Roll、略してJR）と呼ばれます。

リチウムイオン電池の製造プロセス
リチウムイオン電池の製造工程におけるコア巻き工程は、以下の図のようになります。具体的な作業は、正極片、負極片、絶縁フィルムを、 巻き取り機の針機構は、隣接する正極片と負極片を絶縁フィルムで絶縁することで短絡を防止します。巻き取りが完了したコアは、コアの脱落を防ぐために密閉用粘着紙で固定され、次の工程へと流れます。この工程では、正極と負極の間に物理的な接触がないこと、そして負極シートが正極シートを水平方向と垂直方向の両方で完全に覆うことが鍵となります。

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し、その後、正極または負極のポールピースを順に送り込み、ポールピースを2層の振動板の間に挟んで巻き取ります。コアの長手方向では、振動板が負極の振動板を、負極の振動板が正極の振動板をそれぞれ上回るように配置することで、正極と負極の振動板間の接触短絡を回避します。

巻線針クランプダイヤフラムの概略図

自動巻き取り機の実図

巻線機は、コア巻き工程を実現するための重要な設備です。上図を参照すると、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ピースと負極ピースをそれぞれ 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. 巻き取りおよび接着システム：巻き取った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。
針押し工程：2 つの針ロールは針シリンダーの押し込み作用によって伸長し、ダイヤフラムの両側を通過し、針シリンダーの組み合わせによって形成された 2 つの針ロールはスリーブに挿入され、針ロールはダイヤフラムを締め付けるように閉じ、同時に、2 つの針ロールは結合して基本的に対称的な形状を形成し、コアの巻線となります。

針押し工程の模式図

ニードルポンピング工程：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た状態で、ニードルとコアをスムーズに分離することができます。

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、巻線機のコア部品である針のことを指し、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針、楕円針、平菱形針を使用しています。丸針と楕円針は、一定の弧を描くため、コアの極片が変形し、その後のコア圧下工程でコアにシワや変形が生じやすくなります。平菱形針は、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動し、駆動モーターの可変速巻き上げが必要となるため、制御が難しく、巻き取り速度も遅くなります。

一般的な巻き針の模式図

最も複雑で一般的な平らなダイヤモンド型の針を例に挙げると、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。

上式から、巻き針が一定の角速度で巻き上げられている場合、巻き線速度と、巻き針の支持点と正極片および負極片および振動板との間の角度は、線分関数の関係にあることが容易に分かります。この2つの関係は、Matlabで次のようにシミュレーションできます。

異なる角度における巻き取り速度の変化

図の平らな菱形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、そして振動板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、巻き取り工程中の振動板の伸張、巻き取り後の振動板の収縮、コアプレス後のコア内部の角の層間隔の狭小化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、ポールピースが歪み、準備された巻線が破損する可能性があります。 リチウム電池 最終的には「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の低下（主に変形）の問題を解決するために、可変張力巻き取りと可変速度巻き取りの 2 つの方法が通常使用されています。

1. 可変張力巻き取り：円筒形電池を例に挙げると、一定の角速度下では、巻き取り層数の増加に伴い線速度が増加し、張力も上昇します。可変張力巻き取りとは、張力制御システムを通じて、巻き取り層数の増加に伴い、極片または振動板に作用する張力を線形に減少させることで、回転速度が一定であっても、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るようにすることです。多数の可変張力巻き取り実験から、以下の結論が得られました。
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、コア径が大きくなると張力は直線的に減少し、定張力巻き取りの場合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、通常は平らな菱形の巻き針が使用されます。この巻き針を一定の角速度で巻き取ると、線速度が大きく変動し、コアの角部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算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に応じて変化します。これにより、巻き取り工程における線速度の変動を可能な限り小さくし、張力の変動が小さな振幅値の範囲内に収まるようにします。

つまり、巻き針の形状は、極芯の平坦度（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。円筒形電池の場合、通常は丸針が使用されます。角形電池の場合、通常は楕円形または扁平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取って扁平化し、角形コアを形成することもできます）。さらに、大量の実験データは、コアの品質が最終的な電池の電気化学性能と安全性能に重要な影響を与えることを示しています。

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重要な懸念事項と注意事項を整理し、巻き取り工程での不適切な操作を可能な限り回避して、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。

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

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沈殿が発生し、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存在します。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、一般的に用いられる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。以下では、コア製造工程でよく見られる欠陥について簡単にご紹介します。

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年に起きたサムスンNote7の爆発事故で、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ことが原因とされ、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、機器、または環境から発生する可能性があります。大きな金属異物は直接的に物理的な短絡を引き起こす可能性があり、正極に混入すると酸化されて負極表面に堆積し、隔膜を貫通して最終的に電池内部で短絡を引き起こし、深刻な安全上の危険をもたらします。一般的な金属異物には、Fe、Cu、Zn、Snなどがあります。

リチウム電池巻線機は、リチウム電池セルの巻線に用いられ、正極シート、負極シート、振動板を連続回転させてコアパック（JR：JellyRoll）に組み立てる装置です。国内の巻線製造設備は2006年に半自動丸型巻線、半自動角型巻線、フィルム自動生産から始まり、その後、複合自動化、フィルム巻線機、レーザーダイカット巻線機、陽極連続巻線機、振動板連続巻線機などへと発展しました。

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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、しっかりとした安定したコア構造が確保され、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、内部応力の不均一性が軽減され、バッテリー寿命が延長されます。
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ており、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 セルも処理できるため、多様な生産ニーズに対応できます。

リチウムイオン電池装置
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