卷绕工艺及设备

全自动卷绕机

国外卷绕制造设备始于1990年，从半自动圆形、半自动方形卷绕、全自动一体机（三轴），起步比较早且自动化程度比较高。

海内卷绕制造设备始于2006年，从半自动圆形、半自动方形卷绕、自动化制片开始，之后是组合自动化,制片卷绕一体机,激光模切卷绕一体机等。

卷针：

卷绕机有正、负极送料单元，将正极、负极和隔膜卷绕在一起的机构叫卷针。

卷针

卷针套

按照电池芯的形状分为：

方形和圆柱形电池电芯卷绕机，一样平常卷绕设备采取两副或以上卷针、单侧抽针的

构造。

公转机构

卷针机构

卷绕机的紧张机构有：

正负极极片和隔膜主动放卷、极片和隔膜换卷、自动纠偏、自动张力检测与掌握。

动作事理：

极片由夹送辊驱动机构引入卷针部分，与隔膜一同按照工艺哀求进行卷绕。
卷绕完成后自动换工位、割断隔膜和贴终止胶带，成品裸电芯自动下料后，经由预压、扫码，良品成品裸电芯自动转移到托盘中再转移到后工序。
不良品裸电芯自动剔除到不良品网络处。

卷绕的工艺流程如下图：

卷绕机事理解释：

①预卷绕

正负极片初始送极片过程，该过程中正负极片在送极片机构夹持极片以一定的速率送入卷针，须要掌握卷针的旋转角和速率与送极片机构相匹配。
该过程涉及两个同步：隔膜的放卷速率与卷针速率的同步，送极片速率与卷针的速率同步，预卷速率要慢同时夹角位置要得当，否则电芯中央距会不稳定。

卷绕过程示意图1

②卷绕过程

在完成了正负极片初始送极片过程后，正负极片被隔膜包覆，并绕卷针缠绕，后续迁徙改变卷针即可实现连续卷绕。
该过程中通过检测料卷的张力大小调度极片放料电机的放料速率，来担保卷绕过程中料卷的的恒定/变速张力。

卷绕过程示意图2

预卷中的掌握问题属于开环掌握问题，卷针、隔膜和极片两两之间是否真正的同步没法准确丈量，这就哀求我们建立准确的卷绕掌握模型，尤其是对付尺寸较大的电池的卷绕哀求更高。

卷绕中物料张力，可以在掌握中采取闭环反馈掌握技能。
在线检测张力显示、在线检测纠偏显示，时时根据反馈的数据进行调度。

卷绕部位，经压轮离卷针越近，电芯内圈应力越小，电池形变就会降落。

卷绕过程示意图3

卷绕过程示意图4

③卷绕过程动态掌握

由于预卷绕过程属于开环掌握，准确的数学模型是卷绕掌握系统成败的关键。
尤其是对付极片的线速率大于1m/s时，准确的卷绕模型是掌握卷绕张力的稳定，是卷绕质量掌握的关键核心。

④电芯高品质卷绕

电芯高品质卷绕的核心问题是卷绕电芯的隔膜、极片贴合均匀，表现为没有间隙，而且电池利用过程中隔膜和极片相互间在各个方向保持打仗应力均匀同等。

卷绕过程中便是一个减速过程：卷绕张力随着卷绕圈数递减，减算张力,是电芯在卷绕的过程中,极板的张力是变革的,变革哀求在此功能设定。

减算张力的设定,按照不同型号卷绕圈数不同开始递减,每卷绕1.5圈递减一次, 打算每圈递减的张力公式为:每圈递减的张力=(设定张力-终极张力 )/(卷绕圈数/1.5)。

卷绕过程示意图5

⑤方形卷绕电芯的张力问题

纵然方形电芯的卷针曲线是一阶导数连续的封闭曲线，压扁后极片、隔膜没有间隙，但在电池的充放电过程中，由于极片膨胀和紧缩程度的不一致，会导致极片间的间隙随着充电循环逐步变大，产生形变。

⑥电芯形变的成分

由于受到两侧阴极的束缚，阳极内部产生应力，当阳极直线段没有”毛病”时，应力紧张集中在极片转角处，当转角处内外两侧均受到束缚时，根据两侧束缚的大小关系，有两种可能的趋势。

内侧束缚>外测束缚时，转角有向外侧位移的趋势，应力向外侧开释----（可能勾引B类变形）。

内侧束缚<外测束缚时，转角有向内侧位移的趋势，应力向内侧开释---- ( 随意马虎导致A类变形)。

⑦利用粘性隔膜

陶瓷隔膜：在原来锂电池隔膜上面（包括干法 湿法隔膜）以三氧化二铝和粘结剂以及去离子水稠浊搅拌为浆料，采取微凹版 挤压涂布的办法来在基材隔膜上面做一层或者两面各一层的陶瓷面，厚度为2-4um。
电池耐高温、防穿刺、降落厚度方面表现出精良性能。

PVDF凝胶隔膜：在基材上涂上一层或两层PVDF，单面涂层厚度≤1um，相对付其它类型的隔膜，在热压工序后，涂胶隔膜的PVDF涂层会与极板中的粘结剂发生领悟，显著提高电池的机器强度，防止在电池循环过程中发生形变，从而显著提高循环性能和安全性能。

⑧卷绕机构和隔膜静电肃清

隔膜在静电浸染下，预卷负极过程中隔膜牢牢吸附在极板表面，预卷会有一个停顿到启动的动作，隔膜会有一定的拉伸浸染，同时卷针转角处最随意马虎形成应力 。

隔膜在静电浸染下，预卷正极过程中隔膜牢牢吸附在极板表面，预卷会有一个停顿到启动的动作，隔膜会有一定的2次拉伸浸染，同时卷针转角处最随意马虎形成应力。

电芯卷绕完成后，自然状态下隔膜会有一定紧缩，因极板牢牢贴在隔膜上，隔膜紧缩时会带动极板形成褶皱感，所谓的极板贴合不好，从而产生形变。
(一样平常在内圈3~4圈表现尤为突出，电池中间形变突出）经压轮间隔卷针越近越好，产生的内应力越小。

⑨方形卷绕电芯的卷止胶带贴附力

早期凸轮顶着卷针旋转，施加的力比较大，卷芯最外的力被束缚，终极产生形变。
后期改进凸轮设计，施加的力降落，电池形变降落。

早期的凸轮设计

后期的凸轮设计

⑩卷针设计

根据电芯形变剖析：

以只管即便小的卷绕初始张力进行变张力

只管即便云线速率卷绕，即变速卷绕

加厚卷针设计改进电芯形变

① 卷绕R圆弧角比扁平卷针大，利于电芯R角处层与层之间间隔不过紧

② 加厚卷针合并近似椭圆形，能减小卷绕过程中张力颠簸幅度和线速率颠簸幅度

③ 卷针加工过程中需把稳开合角度，便于退芯顺畅

卷绕的特点

依据卷绕机的自动化程度可以划分为半自动、全自动和一体机等类型。
按照制作的电芯大小可以划分为小型、超小型、中型、大型等。
如下是几种卷绕机的示意图。

小型自动卷绕机

超小型自动卷绕机

中型自动卷绕机

大型自动卷绕机

卷绕卷芯的特点如下：

♦极片、隔膜连续一体，制造效率高；

♦卷绕只有两条边，边缘少，极片完全，便于掌握毛刺；

♦生产掌握大略，操作随意马虎，掌握难度低；

♦不宜卷太厚、层间相互影响，随意马虎变形；

♦极片柔性哀求高；

♦极片横向张力不一致，内部可能产生间隙，贴合应力难以均匀；

♦极片膨胀带来形变问题、难以实现高质量。

方形

圆柱形

卷绕机的关键构造

设备紧张模块包括：极片/隔膜自动放卷模块，极片/隔膜换卷模块，自动纠偏模块，导辊模块，极耳导向抚平模块，主驱模块，张力掌握模块，张力丈量/显示与储存模块，极片入料模块，隔膜除静电装置，极耳打折/翻折及极片破损检测模块，CCD在线检测模块，极片割断模块，除尘系统，极片和隔膜不良品单卷与剔除模块，卷绕头组件，隔膜割断模块，隔膜吸附模块，贴终止胶带模块，自动卸料模块，裸电芯预压模块，下料模块，设备框架和大板模块。

卷绕机布局示意图

卷绕工艺管控点

极耳尺寸、焊接尺寸、贴胶尺寸、卷绕尺寸、对位数据等。

电芯

Overhang边缘检测（负极尺寸过量设计）

卷绕机的发展趋势

①高速、高精度：卷绕极片的线速率由现有的2-3m/s发展到4-5m/s，卷绕极片对齐精度由现有的0.3mm提升至（0.1-0.2）mm。

②高合格率：CPK由1.33到1.67，终极发展到2.0以上，达到免检水平。

③稳定性：提升均匀无端障韶光，由现有几十、几百小时提升至千、万小时的水平。

④设备实现数字化、智能化掌握：卷绕张力、极片与隔膜的对齐度实现在线监控，卷绕参数和终极电池性能参数实现闭环优化，实现卷绕合格率提升。

⑤激光模切卷绕一体化：激光模切与卷绕工序结合实现设备集成一体化。

⑥高速卷绕机：通过隔膜连续卷绕技能的打破，实现卷绕效率的倍增。

结语

基于多年的技能沉淀和积累，卷绕工艺在生产设备、技能工艺、效率、本钱等方面都具有明显的上风，未来向自动化、智能化发展！