鋰電池電芯卷繞設備

鋰電池卷繞機是用來卷繞鋰電池電芯的,是一種將電池正極片、負極片及隔膜以連續轉動的方式組裝成芯包(JR:JellyRoll)的機器。

國內卷繞製造設備始於2006年，從半自動圓形、半自動方形卷繞、自動化製片開始，之後是組合自動化,製片卷繞一體機,激光模切卷繞一體機，陽極連續卷繞機，隔膜連續卷繞機等。

卷繞的原理

（1）卷繞機原理

卷繞機有正、負極送料單元，將正極、負極和隔膜卷繞在一起的機構叫卷針。

按照電池芯的形狀主要分為方形和圓柱形電池電芯卷繞機，一般卷繞設備採用兩副或以上卷針、單側抽針的結構。卷繞機的主要機構有：正負極極片和隔膜主動放卷、極片和隔膜換卷、自動糾偏、自動張力檢測與控制。極片由夾輥驅動機構引入卷針部分，與隔膜一同按照工藝要求進行卷繞。卷繞完成後自動換工位、切斷隔膜和貼終止膠帶，成品裸電芯自動下料後，經過預壓、掃碼，良品成品裸電芯自動轉移到托盤中再轉移到後工序。不良品裸電芯自動卸料到不良品裸電芯收集處。卷繞的工藝流程如下圖：

卷繞設備工藝流程圖

（2）卷繞機理說明

①預卷繞：正負極片初始送極片過程，該過程中正負極片在送極片機構夾持極片以一定的速度送入卷針，需要控制卷針的旋轉角和速度與送極片機構相匹配。該過程涉及兩個同步：隔膜的放卷速度與卷針速度的同步，送極片速度與卷針的速度同步。

②卷繞過程：在完成了正負極片初始送極片過程後，正負極片被隔膜裹緊，並繞卷針纏繞，後續轉動卷針即可實現連續卷繞。該過程中通過檢測料卷的張力大小調整極片放料電機的放料速度，來保證卷繞過程中料卷的的恆定張力。

卷繞過程示意圖

預卷繞中的控制問題屬於開環控制問題，卷針、隔膜和極片兩兩之間是否真正的同步沒法準確測量，這就要求我們建立準確的卷繞控制模型，尤其是對於尺寸較大的電池的卷繞要求更高。卷繞中料帶張力，可以在控制中採用閉環反饋控制技術。

另外，卷繞過程中，我們實際控制的是卷繞電機轉動的速度，而實際速度是各料卷以及卷針卷繞實際半徑的函數，該半徑是動態變化的。目前，在沒有實際感測器測量的情況下，我們假設料卷一次上料後卷芯逐步增大，中間半徑的變化規律完全符合阿基米德螺旋線定律。初始卷料半徑通過程序預先設定。

③卷繞過程動態控制模型：由於預卷繞過程屬於開環控制，準確的數學模型是卷繞控制系統成敗的關鍵。尤其是對於極片的線速度大於1m/s時，準確的卷繞模型是控制卷繞張力的穩定，是卷繞質量控制的關鍵核心。

④電芯高質卷繞：電芯高質量卷繞的核心問題是卷繞電芯的隔膜、極片貼合均勻，表現為沒有間隙，而且電池使用過程中隔膜和極片相互間在各個方向保持接觸應力均勻一致。

這對卷繞機提出兩個方面的要求，一是：卷芯抽卷針後依然保持貼合應力的一致，這樣對卷針輪廓形狀的設計非常重要，尤其是方形卷繞電池，要保證卷繞抽針後極片和隔膜的貼合應力均勻，卷繞輪廓曲線必須是一階導數連續的封閉曲線，判斷原則是曲線不斷，平滑無尖角。其次是：隔膜、極片進入卷針時，在卷針切線的母線方向，張力是一致的，這要求隔膜極片的糾偏幅度不應該太大，應該保證在隔膜、極片彈性範圍內的一個限值。

⑤方形卷繞電芯的GAP問題

即使方形電芯的卷針曲線是一階導數連續的封閉曲線，壓扁後極片、隔膜沒有間隙，但在電池的充放電過程中，因為極片膨脹和收縮程度的不一致，會導致極片間的間隙隨著充電循環逐步變大，當此處的電解液不富裕時，鋰離子不能實現轉移，將影響容量的發揮，長時間的使用會帶來析鋰安全問題。並且，隨著能量密度提升的要求，負極逐步導入硅負極體系，由於硅負極極片膨脹大，卷繞方式的極組容易出現內圈極片斷裂，影響電池使用壽命，限制了硅材料添加量。建議採取的辦法是注液時適當增加富裕的電解液。

卷繞的特點

依據卷繞機的自動化程度可以劃分為手工、半自動、全自動和一體機等類型。按照製作的芯包大小可以劃分為小型、中型、大型、超大型等。如下是幾種卷繞機的示意圖。

卷繞卷芯的特點如下：

♦極片、隔膜連續一體，製造效率高；

♦卷繞只有兩條邊，邊緣少，極片完整，便於控制毛刺；

♦生產控制簡單，操作容易，控制難度低；

♦不宜卷太厚、層間互相影響，容易變形；

♦極片柔性要求高；

♦極片橫向張力不一致，內部可能產生間隙，貼合應力難以均勻；

♦極片膨脹帶來GAP問題、難以實現高質量。

卷繞機的關鍵結構

設備主要模塊包括：極片/隔膜自動放卷模塊，極片/隔膜換卷模塊，自動糾偏模塊，導輥模塊，極耳導向撫平模塊，主驅模塊，張力控制模塊，張力測量/顯示與儲存模塊，極片入料模塊，隔膜除靜電裝置，極耳打折/翻折及極片破損檢測模塊，CCD在線檢測模塊，極片切斷模塊，除塵系統，極片和隔膜不良品單卷與剔除模塊，卷繞頭組件，隔膜切斷模塊，隔膜吸附模塊，貼終止膠帶模塊，自動卸料模塊，裸電芯預壓模塊，下料模塊，設備框架和大板模塊。

卷繞機布局示意圖

卷繞機的發展趨勢

①高速、高精度：卷繞極片的線速度由現有的2-3m/s發展到4-5m/s，卷繞極片對齊精度由現有的±0.3mm提升至±（0.1-0.2）mm。

②高合格率：CPK由1.33到1.67，最終發展到2.0以上，達到免檢水平。

③穩定性：提昇平均無故障時間，由現有幾十、幾百小時提升至千、萬小時的水平。

④設備實現數字化、智能化控制：卷繞張力、極片與隔膜的對齊度實現在線監控，卷繞參數和最終電池性能參數實現閉環優化，實現卷繞合格率提升。

⑤激光模切卷繞一體化：激光模切與卷繞工序結合實現設備集成一體化。

⑥高速卷繞機：通過隔膜連續卷繞技術的突破，實現卷繞效率的倍增。

結語

基於多年的技術沉澱和積累，卷繞工藝在生產設備、技術工藝、效率、成本等方面都具有明顯的優勢，但在車規級動力電池對於標準化、大容量和大尺寸的需求趨勢下，卷繞工藝已經開始「力不從心」。如何提升卷繞的質量是行業面臨的核心問題。