一文看懂动力电池卷绕工艺：原理、设备与质量控制
一文看懂动力电池卷绕工艺：原理、设备与质量控制
锂离子电池的卷绕工艺是其制造过程中的关键环节，直接影响电池的性能和安全性。本文将深入探讨卷绕过程的原理、关键设备、常见问题及解决方案，帮助读者全面了解这一复杂而精密的制造工艺。
典型的锂离子电池制造流程通常可分为三大工序：电极制造、装配过程和电芯检测，但也有公司将之简化为两大工序：卷绕前工序和卷绕后工序。其中，卷绕工序因其在电池外观成型中的核心作用，被视为锂离子电池制造过程的枢纽。
卷绕过程详解
卷绕过程示意图展示了卷绕的基本原理：正极片、负极片和隔离膜通过卷绕机的卷针机构卷制在一起，相邻的正负极片之间被隔离膜隔绝，避免短路。卷绕完成后，通过收尾胶纸进行固定，防止卷芯散开。
卷芯的卷绕过程一般是先用两卷针夹紧两层隔膜进行预卷，然后依次送入正极片或负极片，极片分别夹在两层隔膜之间进行卷绕。在卷芯纵向方向，隔膜超出负极膜片，负极膜片超出正极膜片，以防止正、负极片之间接触短路。
卷绕机的主要组成部分
卷绕机的主要组成部分及其功能包括：
- 极片供给系统：分别将正、负极片沿着导轨输送到两层隔膜之间。
- 隔膜放卷系统：实现隔膜到卷针的自动连续供给。
- 张力控制系统：实现卷绕过程中隔膜的恒张力控制。
- 收尾贴胶系统：对卷绕后的卷芯进行贴胶固定。
- 卸料传输系统：将卷芯从卷针上自动拆卸，然后掉落到自动传输带上。
- 脚踏开关：控制卷绕正常进行。
- 人机交互界面：实现参数设定、手动调试、报警提示等功能。
卷针形状的影响
卷针作为卷绕机的核心零部件，其形状直接影响卷绕速度和卷芯质量。目前常见的卷针形状包括圆形、椭圆形和扁菱形。其中，圆形和椭圆形卷针可能会造成电芯的极耳变形，而扁菱形卷针则需要驱动电机变转速卷绕，过程难以控制，卷绕速度一般较低。
卷绕过程中的关键问题
卷绕过程中的关键问题主要包括推针和抽针过程。推针过程涉及两卷针在推针气缸作用下伸出，分别穿过隔膜两侧，然后两卷针组合形成的针头圆柱体插入轴套中。抽针过程则是在卷芯卷绕完成后，两卷针在抽针气缸作用下缩回，实现卷针和卷芯的顺利分离。
卷绕张力波动的解决方案
卷绕张力波动是影响卷芯质量的重要因素。目前主要通过两种方法来解决这一问题：
- 变张力卷绕：通过张力控制系统将施加于极片或隔膜上的张力随着卷绕层数的增加而线性减少。
- 变转速卷绕：根据线速度变化情况反向推导转速的变化规律，实现卷绕过程线速度波动尽可能小。
卷芯缺陷检测
为了确保卷芯质量，可以采用多种检测方法。例如，将卷芯浸入AB胶环氧树脂中固化，然后切割截面并用砂纸抛光，最后在显微镜或扫描电镜下观察，获取卷芯内部缺陷图谱。此外，X-ray和CT检测等无损检测方法也被广泛应用。
卷绕机的发展趋势
卷绕机的发展趋势主要包括高速、高精度、高合格率、稳定性提升以及设备数字化、智能化控制。同时，激光模切卷绕一体化和高速卷绕机等新技术也在不断涌现。
结语
卷绕工艺在锂电池制造中占据核心地位，其质量和效率直接影响电池的性能和安全性。随着新能源汽车和储能产业的快速发展，对卷绕工艺提出了更高的要求。未来，如何提升卷绕的质量和效率，将是行业面临的重要挑战。