Máy quấn pin Lithium: Nguyên lý, quy trình chính và hướng dẫn kiểm soát chất lượng

Trong quá trình sản xuất pin lithium-ion, thường có một số cách để phân chia quy trình. Quy trình có thể được chia thành ba quy trình chính: sản xuất điện cực, quy trình lắp ráp và thử nghiệm cell (như thể hiện trong hình bên dưới), và cũng có những công ty chia thành tiền xử lý.Gióquá trình cuộn và sau khi cuộn, và điểm phân định này là quá trình cuộn. Do chức năng tích hợp mạnh mẽ của nó, có thể làm cho pin xuất hiện đúc ban đầu, vì vậy quá trình cuộn trong sản xuất pin lithium-ion đóng vai trò then chốt, là chìa khóa, quá trình cuộn do lõi cán tạo ra thường được gọi là cell pin trần (Jelly-Roll, gọi tắt là JR).

Quy trình sản xuất pin lithium-ion
Trong quá trình sản xuất pin lithium-ion, quá trình quấn lõi được minh họa như sau. Hoạt động cụ thể là cuộn phần cực dương, phần cực âm và màng cách điện lại với nhau thông qua Máy cuộncơ chế kim, và các cực dương và cực âm liền kề được cách ly bằng màng cách ly để ngăn ngừa đoản mạch. Sau khi quấn xong, lõi được cố định bằng giấy dính đóng để ngăn lõi bị rơi ra, sau đó chảy sang quy trình tiếp theo. Trong quy trình này, điều quan trọng là đảm bảo không có tiếp xúc vật lý giữa các điện cực dương và âm và tấm điện cực âm có thể bao phủ hoàn toàn tấm điện cực dương theo cả hướng ngang và hướng dọc.

Sơ đồ quá trình quấn
Trong quá trình quấn lõi, thông thường hai chốt lăn kẹp hai lớp màng chắn để quấn trước, sau đó lần lượt đưa cực dương hoặc cực âm vào, cực được kẹp giữa hai lớp màng chắn để quấn. Theo hướng dọc của lõi, màng chắn vượt quá màng chắn âm, và màng chắn âm vượt quá màng chắn dương, để tránh hiện tượng đoản mạch tiếp xúc giữa màng chắn dương và màng chắn âm.

Sơ đồ cơ cấu kẹp kim quấn

Bản vẽ vật lý của máy quấn tự động

Máy quấn là thiết bị chính để thực hiện quá trình quấn lõi. Tham khảo sơ đồ trên, các thành phần và chức năng chính của nó như sau:

1. Hệ thống cung cấp mảnh cực: vận chuyển các mảnh cực dương và cực âm dọc theo thanh dẫn hướng đến hai lớp màng chắn giữa phía AA và phía BB để đảm bảo cung cấp các mảnh cực ổn định.
2. Hệ thống tháo màng ngăn: Bao gồm màng ngăn trên và dưới để thực hiện việc cung cấp màng ngăn tự động và liên tục cho kim quấn.
3. Hệ thống kiểm soát độ căng: để kiểm soát độ căng liên tục của màng ngăn trong quá trình quấn.
4. Hệ thống quấn và dán: để dán và cố định lõi sau khi quấn.
5. Hệ thống băng tải dỡ hàng: Tự động tháo lõi khỏi kim và thả vào băng tải tự động.
6. Công tắc chân: Khi không có điều kiện bất thường, hãy đạp lên công tắc chân để điều khiển hoạt động bình thường của cuộn dây.
7. Giao diện tương tác giữa người và máy tính: với cài đặt thông số, gỡ lỗi thủ công, nhắc nhở cảnh báo và các chức năng khác.

Qua phân tích quá trình quấn trên ta thấy rằng trong quá trình quấn lõi điện có hai khâu không thể tránh khỏi là đẩy kim và kéo kim.
Quá trình đẩy kim: hai cuộn kim mở rộng dưới tác động của xi lanh đẩy kim, thông qua cả hai mặt của màng ngăn, hai cuộn kim được hình thành bởi sự kết hợp của xi lanh kim được đưa vào ống lót, các cuộn kim gần kẹp chặt màng ngăn, đồng thời, hai cuộn kim hợp nhất để tạo thành một hình dạng đối xứng cơ bản, làm lõi của lõi quấn.

Sơ đồ quá trình đẩy kim

Quá trình bơm kim: sau khi hoàn tất quá trình quấn lõi, hai kim được thu lại dưới tác động của xi lanh bơm kim, xi lanh kim được rút ra khỏi ống lót, viên bi trong thiết bị kim đóng kim dưới tác động của lò xo và hai kim được cuộn theo hướng ngược nhau và kích thước của đầu tự do của kim được giảm xuống để tạo thành một khoảng cách nhất định giữa kim và bề mặt bên trong của lõi và với kim được thu lại so với ống lót giữ, kim và lõi có thể được tách ra một cách trơn tru.

Sơ đồ quá trình lấy kim

"Kim" trong quá trình đẩy và kéo kim ở trên là kim, là thành phần cốt lõi của máy quấn, có tác động đáng kể đến tốc độ quấn và chất lượng của lõi. Hiện nay, hầu hết các máy quấn đều sử dụng kim hình thoi tròn, bầu dục và dẹt. Đối với kim tròn và hình bầu dục, do tồn tại một số cung nhất định, sẽ dẫn đến biến dạng tai cực của lõi, trong quá trình ép lõi sau đó, nhưng cũng dễ gây ra nếp nhăn bên trong và biến dạng lõi. Đối với kim hình thoi dẹt, do chênh lệch kích thước lớn giữa trục dài và trục ngắn, độ căng của cực và màng ngăn thay đổi đáng kể, đòi hỏi động cơ truyền động phải quấn ở tốc độ khác nhau, khiến quá trình khó kiểm soát và tốc độ quấn thường thấp.

Sơ đồ các loại kim quấn thông dụng

Lấy kim cương dẹt phức tạp và phổ biến nhất làm ví dụ, trong quá trình lên dây và quay, các cực dương, cực âm và màng ngăn luôn được quấn quanh sáu điểm góc B, C, D, E, F và G làm điểm tựa.

Sơ đồ chuyển động quay của kim quấn hình thoi phẳng

Do đó, quá trình quấn có thể được chia thành quấn phân đoạn với bán kính OB, OC, OD, OE, OF, OG và chỉ cần phân tích sự thay đổi của tốc độ đường truyền trong bảy dải góc giữa θ0, θ1, θ2, θ3, θ4, θ5, θ6 và θ7 để mô tả hoàn toàn định lượng quá trình quay tuần hoàn của kim quấn.

Sơ đồ các góc quay khác nhau của kim

Dựa trên mối quan hệ lượng giác, mối quan hệ tương ứng có thể được suy ra.

Từ phương trình trên, dễ dàng thấy rằng khi kim quấn được quấn với vận tốc góc không đổi, vận tốc tuyến tính của quá trình quấn và góc tạo thành giữa điểm đỡ của kim và các cực dương, cực âm và màng ngăn có mối quan hệ hàm phân đoạn. Mối quan hệ hình ảnh giữa hai yếu tố này được mô phỏng bằng Matlab như sau:

Thay đổi tốc độ cuộn ở các góc khác nhau

Rõ ràng là tỷ số giữa vận tốc tuyến tính cực đại và vận tốc tuyến tính cực tiểu trong quá trình quấn kim cương phẳng trong hình có thể lớn hơn 10 lần. Sự thay đổi lớn như vậy về tốc độ đường dây sẽ gây ra những biến động lớn về độ căng của điện cực dương và điện cực âm và màng ngăn, đây là nguyên nhân chính gây ra những biến động về độ căng khi quấn. Biến động độ căng quá mức có thể dẫn đến kéo giãn màng ngăn trong quá trình quấn, co màng ngăn sau khi quấn và khoảng cách lớp nhỏ ở các góc bên trong lõi sau khi ép lõi. Trong quá trình nạp, sự giãn nở của mảnh cực khiến ứng suất theo hướng chiều rộng của lõi không được tập trung, dẫn đến mô men uốn, dẫn đến biến dạng mảnh cực và chuẩn bị Pin Lithium cuối cùng xuất hiện biến dạng "S".

Hình ảnh CT và sơ đồ tháo rời lõi biến dạng "S"

Hiện nay, để giải quyết vấn đề chất lượng lõi kém (chủ yếu là biến dạng) do hình dạng kim quấn gây ra, người ta thường dùng hai phương pháp: quấn thay đổi độ căng và quấn thay đổi tốc độ.

1. Cuộn dây có độ căng thay đổi: Lấy pin hình trụ làm ví dụ, dưới vận tốc góc không đổi, vận tốc tuyến tính tăng theo số lớp cuộn, dẫn đến sự gia tăng độ căng. Cuộn dây có độ căng thay đổi, tức là thông qua hệ thống kiểm soát độ căng, để độ căng được áp dụng cho cực hoặc màng ngăn với sự gia tăng số lớp cuộn và giảm tuyến tính, để trong trường hợp tốc độ quay không đổi, nhưng vẫn có thể làm cho toàn bộ quá trình cuộn của độ căng càng xa càng tốt để duy trì một hằng số. Một số lượng lớn các thí nghiệm cuộn dây có độ căng thay đổi đã dẫn đến những kết luận sau:
a. Độ căng của cuộn dây càng nhỏ thì hiệu quả cải thiện biến dạng lõi càng tốt.
b. Trong quá trình quấn tốc độ không đổi, khi đường kính lõi tăng, độ căng giảm tuyến tính với nguy cơ biến dạng thấp hơn so với quấn độ căng không đổi.
2. Quấn tốc độ thay đổi: Lấy ô vuông làm ví dụ, thường sử dụng kim quấn hình thoi dẹt. Khi kim được quấn ở tốc độ góc không đổi, tốc độ tuyến tính dao động đáng kể, dẫn đến sự khác biệt lớn về khoảng cách lớp ở các góc của lõi. Lúc này, nhu cầu thay đổi tốc độ tuyến tính đảo ngược quy luật thay đổi tốc độ quay, tức là quấn tốc độ quay theo góc thay đổi và thay đổi, để thực hiện quá trình quấn của dao động tốc độ tuyến tính càng nhỏ càng tốt, để đảm bảo rằng dao động độ căng trong phạm vi giá trị biên độ nhỏ.

Tóm lại, hình dạng của kim quấn có thể ảnh hưởng đến độ phẳng của tai cực (lõi và hiệu suất điện), tốc độ quấn (năng suất), tính đồng nhất của ứng suất bên trong lõi (vấn đề biến dạng ngoại quan) v.v. Đối với pin hình trụ, kim tròn thường được sử dụng; đối với pin hình vuông, kim hình elip hoặc hình thoi phẳng thường được sử dụng (trong một số trường hợp, kim tròn cũng có thể được sử dụng để quấn và làm phẳng lõi để tạo thành lõi vuông). Ngoài ra, một lượng lớn dữ liệu thực nghiệm cho thấy chất lượng của lõi có tác động quan trọng đến hiệu suất điện hóa và hiệu suất an toàn của pin cuối cùng.

Dựa trên cơ sở này, chúng tôi đã phân loại một số mối quan tâm và biện pháp phòng ngừa chính trong quá trình quấn pin lithium, với hy vọng tránh được các thao tác không đúng cách trong quá trình quấn pin càng nhiều càng tốt, để sản xuất ra pin lithium đáp ứng các yêu cầu về chất lượng.

Để hình dung các khuyết tật lõi, có thể nhúng lõi vào nhựa epoxy keo AB để đóng rắn, sau đó cắt mặt cắt ngang và đánh bóng bằng giấy nhám. Tốt nhất là quan sát các mẫu đã chuẩn bị dưới kính hiển vi hoặc kính hiển vi điện tử quét, để có được bản đồ khuyết tật bên trong của lõi.

Bản đồ khuyết tật bên trong của lõi
(a) Hình vẽ cho thấy một lõi đủ tiêu chuẩn không có khuyết tật bên trong rõ ràng.
(b) Trong hình, cực từ bị xoắn và biến dạng rõ ràng, có thể liên quan đến lực căng của cuộn dây, lực căng quá lớn sẽ khiến cực từ bị nhăn, loại khuyết tật này sẽ làm giao diện pin xấu đi và kết tủa lithium, làm giảm hiệu suất của pin.
(c) Có một vật lạ giữa điện cực và màng ngăn trong hình. Lỗi này có thể dẫn đến tự phóng điện nghiêm trọng và thậm chí gây ra các vấn đề về an toàn, nhưng thường có thể phát hiện được trong thử nghiệm Hi-pot.
(d) Điện cực trong hình có mẫu khuyết tật âm và dương, có thể dẫn đến điện dung thấp hoặc kết tủa liti.
(e) Điện cực trong hình có bụi lẫn bên trong, có thể làm tăng khả năng tự xả của pin.

Ngoài ra, các khuyết tật bên trong lõi cũng có thể được xác định bằng thử nghiệm không phá hủy, chẳng hạn như thử nghiệm X-quang và CT thường được sử dụng. Sau đây là phần giới thiệu ngắn gọn về một số khuyết tật quy trình lõi phổ biến:

1. Độ che phủ của cực không tốt: cực âm cục bộ không được cực dương che phủ hoàn toàn, có thể dẫn đến biến dạng pin và kết tủa lithium, gây ra nguy cơ mất an toàn tiềm ẩn.

2. Biến dạng của cực: cực bị biến dạng do đùn ra, có thể gây ra hiện tượng đoản mạch bên trong và gây ra các vấn đề nghiêm trọng về an toàn.

Đáng chú ý là vụ nổ điện thoại di động Samsung Note 7 gây chấn động năm 2017, kết quả điều tra cho thấy do điện cực âm bên trong pin bị ép gây ra hiện tượng đoản mạch bên trong, từ đó khiến pin phát nổ, vụ tai nạn khiến Samsung Electronics thiệt hại hơn 6 tỷ đô la.

3. Vật lạ kim loại: Vật lạ kim loại là hiệu suất của pin lithium-ion, có thể đến từ keo dán, thiết bị hoặc môi trường. Các hạt vật lạ kim loại lớn hơn có thể trực tiếp gây ra đoản mạch vật lý và khi vật lạ kim loại trộn vào điện cực dương, nó sẽ bị oxy hóa và sau đó lắng đọng trên bề mặt điện cực âm, xuyên thủng màng ngăn và cuối cùng gây ra đoản mạch bên trong pin, gây ra mối nguy hiểm nghiêm trọng về an toàn. Vật lạ kim loại thường gặp là Fe, Cu, Zn, Sn, v.v.

Máy quấn pin lithium được sử dụng để quấn các cell pin lithium, là một loại thiết bị lắp ráp tấm điện cực dương, tấm điện cực âm và màng ngăn thành một gói lõi (JR: JellyRoll) bằng cách quay liên tục. Thiết bị sản xuất quấn trong nước bắt đầu vào năm 2006, từ quấn tròn bán tự động, quấn vuông bán tự động, sản xuất màng tự động, sau đó phát triển thành tự động hóa kết hợp, máy quấn màng, máy quấn cắt laser, máy quấn liên tục anode, máy quấn liên tục màng ngăn, v.v.

Ở đây, chúng tôi đặc biệt giới thiệu máy cắt laser ép và đẩy phẳng Yixinfeng. Máy này kết hợp công nghệ cắt laser tiên tiến, quy trình quấn hiệu quả và chức năng đẩy chính xác, có thể cải thiện đáng kể hiệu quả sản xuất và chất lượng pin lithium. Nó có những ưu điểm đáng kể sau:


1. Cắt khuôn có độ chính xác cao: Đảm bảo kích thước chính xác của cực và màng ngăn, giảm lãng phí vật liệu và cải thiện tính nhất quán của pin.
2. Cuộn dây ổn định: Cơ chế cuộn dây và hệ thống điều khiển được tối ưu hóa đảm bảo cấu trúc lõi chặt chẽ và ổn định, giảm điện trở bên trong và cải thiện hiệu suất của pin.
3. Cân bằng hiệu quả cao: Thiết kế cân bằng độc đáo làm cho bề mặt lõi phẳng, giảm ứng suất bên trong không đồng đều và kéo dài tuổi thọ pin.
4. Điều khiển thông minh: Được trang bị giao diện tương tác giữa người và máy tính tiên tiến, thực hiện cài đặt thông số chính xác và giám sát thời gian thực, vận hành dễ dàng và bảo trì dễ dàng.
5. Khả năng tương thích rộng: nó cũng có thể sử dụng 18, 21, 32, 46, 50, 60 tất cả các mẫu pin, để đáp ứng nhu cầu sản xuất đa dạng của bạn.

Thiết bị pin Lithium - Ion
Hãy chọn máy cắt, quấn và đẩy bằng laser Yixinfeng để mang lại chất lượng và hiệu quả cao hơn cho quá trình sản xuất pin lithium của bạn!